任务一 了解彩色电视信号的产生

要把客观世界绚丽多彩的画面在彩色电视机屏幕上呈现出来，首先要把这些画面转变为彩色电视信号，以一定的方式传输到彩色电视接收机。了解彩色电视信号的形成与传输，是熟悉彩色电视机的基本原理和掌握整机维修技术的基础。

基本知识

一、光和彩色

1．光和彩色的特性

光是一种以电磁波形式存在的物质。凡是能引起人眼视觉反应的电磁波称为可见光，波长为380～780nm。光的颜色与可见光的波长有关，如光的波长从780nm向380nm逐渐变短时，其颜色就会按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序依次变化。

物体的颜色取决于两个因素。一是光源的特性，如红灯发出红光；二是物体表面对光的吸收、反射和透射的特性，如黑色的煤吸收全部的照射光而呈现黑色，红花吸收日光中其他颜色的光而只反射红光，用红色布包着发光的白炽灯而只有红色光能透射出去。

2．彩色三要素

人眼不但能辨别彩色光亮度的大小，而且还能辨别出光的色彩和浓度。对于彩色光一般用亮度、色调和色饱和度三个物理量来描述，称其为彩色三要素。

（1）亮度 亮度是指彩色光作用于人眼引起明暗程度的感觉，通常用Y来表示。亮度与彩色光的能量及波长的长短有关。

（2）色调 色调是指彩色光的颜色类别。通常所说的红色、绿色、蓝色等就是指其色调不同。彩色光的色调取决于其光谱成分，而彩色物体的色调，则取决于物体在光线照射下，所反射（或透射）的光谱成分，当然也同样与照射它的光源有关。

（3）饱和度 饱和度是指颜色的深浅程度，即颜色的浓度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，它的颜色就越深；饱和度越低，它的颜色就越浅。在某一色调的彩色光中掺入白光，会使其饱和度下降。掺入的白光越多，其饱和度就越低。

色调和饱和度合称为色度。色度即说明彩色光颜色的类别，又说明了颜色的深浅程度。在彩色电视系统中，传输彩色图像，实质上是传输图像的亮度和色度。

3．三基色原理

在自然界中，绝大多数的彩色光都可以分解为红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基色光；相反，利用红、绿、蓝三种基色光按不同比例混合，又可以模拟出自然界的绝大多数的彩色。这个规律称为三基色原理，其特点如下：

（1）三基色的选择不是唯一的 在彩色电视中选择红、绿、蓝作为三基色是因为人眼对这三种基色的光最敏感。

（2）三基色必须是相互独立的 三基色中任一种基色不能由另两种基色混合产生。

（3）三基色的比例决定合成色的色度 合成后的彩色色调和饱和度由三基色的比例决定；它的亮度等于三基色亮度的总和。

4．混色法

根据三基色原理，可以将三种基色按一定比例相加混合得到某种彩色，如图1-1所示。

由图1-1可知：

红 + 绿 = 黄

蓝 + 红 = 紫

绿 + 蓝 = 青

红 + 绿 + 蓝 = 白

当两种颜色相混后得到白色，我们把这两种颜色称为补色。例如，红和青、绿和紫、蓝和黄相互都是补色。

相加混色法有时间混色法和空间混色法。

（1）空间相加混色法 将三基色同时投射到屏幕的三个临近点上，当三个临近点足够近时，由于人眼视觉的分辨力有限，三种颜色就像同时投射到同一点一样，会产生相加混色效应。这称为空间相加混色法，简称空间混色法。目前广泛使用的彩色显像管就是利用这样的空间混色效果。

（2）时间相加混色法 将三基色轮换交替地投射到同一屏幕表面，只要轮换的速度足够快，由于人眼视觉有惰性（暂留特性），看起来像三基色直接相加的效果一样。这称为时间相加混色法，简称时间混色法。最初的顺序制彩色电视机就应用了这一混色效果。

5．亮度方程式

根据混色法可以按照一定的比例将红、绿、蓝三基色混合得到100%的白光。又通过实验得知100%白光中红光亮度占30%，绿光亮度占59%，蓝光亮度占11%，用方程式表示为

Y =0.30R+0.59G+0.11B

这是彩色电视技术中一个非常重要的公式——亮度方程式。

在彩色电视中，三基色亮度的大小常用电压形式体现，分别用UR、UG、UB表示。因此，亮度方程式也可表示为

UY=0.30UR+0.59UG+0.11UB

二、彩色电视信号的形成和传输

1．电视广播的基本过程

电视广播和无线电广播一样，都是把载有信号的高频电磁波经发射装置发送到空中。但无线电广播只运载声音信号，而电视广播同时运载声音和图像信号。

电视广播的基本过程如图1-2所示。

被摄图像（或景物）各部分的明暗变化在摄像机内光电靶上转换成相应的电信号，完成光—电转换之后，经过放大、调制等过程，把此信号以调幅方式调制在一个高频载波上。与此同时，图像（或景物）的伴音则通过话筒进行声—电转换，经过放大、调制后，把此信号以调频方式调制在另一个高频载波上。最后两种载波在发射机内合在一起，形成全电视射频信号，通过天线以无线电波的形式发送到空中。

电视机通过接收天线把图像和伴音两个被调制的信号同时接收下来，通过解调（检波）后还原为图像电视信号和图像伴音信号。图像电视信号经显像管还原成原图像（或景物）的光像，完成电—光转换，伴音信号经喇叭还原出原图像（或景物）的伴音，完成电—声转换。

2．电子扫描

一幅图像是由许多明暗不同的光点组成的，通常把这些光点称为“像素”。同一幅画面上像素越多，图像就越清晰。电视图像也是由像素组成的，一幅电视图像有44万多个像素。电视技术中，图像由摄像机把组成图像的各个像素的明暗程度按顺序转化成相应强弱的电信号发送出去，电视机接收后，显像管内的电子枪根据电信号的强弱，发出相应数目的电子束，一行一行地轰击荧光屏内的荧光粉，使其产生不同强弱的光，还原成图像。电子束一行一行地轰击显像管内荧光粉的过程称为电子扫描。电子扫描的方式有逐行扫描和隔行扫描，如图1-3所示。

当电子束在荧光屏上扫描而未传送图像时，屏幕一片白光，称之为光栅。电子束从左到右、从上到下运动，扫满整个荧光屏就形成了一幅光栅。从左到右的扫描称为水平扫描，又叫行扫描；从上到下的扫描，称为垂直扫描，又叫帧扫描或场扫描。行扫描中，由左向右的扫描称为行正程扫描，由右向左的扫描称为行逆程扫描，也叫行回扫；场扫描中，由上向下的扫描称为场正程扫描，由下向上的扫描称为场逆程扫描，也叫场回扫。

行扫描和场扫描是同时进行的，且行扫描速度远远大于场扫描速度，所以屏幕上得到的是一行接一行略向下倾斜的水平亮线。电子束在正程扫描期间传送图像内容，而逆程扫描不传送图像内容，只是为下次正程扫描做准备。

为了避免图像闪烁，又不增加每秒扫描的总行数，电视机采用了隔行扫描的技术，即把一幅图像分两场扫描，第一场扫1、3、5等奇数行，形成奇数场图像；第二场扫2、4、6等偶数行，形成偶数场图像。奇数场和偶数场的图像镶嵌在一起，由于人眼的视觉惰性（每幅图像在人眼内的感觉能保留0.1s，称为视觉惰性，也叫视觉暂留特性），看到的是幅完整图像，如图1-4所示。

我国规定每一幅图像（称为一帧）扫描625行，每秒传送25幅图像，也就是传送50场。因此帧频是25Hz，场扫描的频率是50Hz，行扫描的频率是25×625=15625Hz；每秒在屏幕显现的像素有25×44万个=1100万个，若每相邻两个像素之间的电压不同，也就是说每秒图像信号电压的变化为1100/2万次，即550万次，那么图像信号的最高频率为5.5MHz，为留有余量，规定图像信号的最高频率为6MHz。

3．黑白电视信号

电视机为了使重现的图像干净清晰，必须消去行、场扫描的回扫线，这就需要传送行、场消隐信号（又称复合消隐信号）。为了保证发送、接收端扫描的同步，必须传送行、场同步信号（又称复合同步信号）。行同步信号用于每一行扫描的开始，场同步信号用于每一场扫描的开始。为了让图像信号、消隐信号、同步信号能用一个通道传送，并在接收端可以方便地将它们分开，必须在发送端按一定规律把这三种信号组合起来。其方法是在行场扫描的正程传送图像信号，行逆程传送行消隐信号和行同步信号，场逆程传送场消隐信号和场同步信号。为了使在场同步信号期间不丢失行同步信号，即为了保证隔行扫描的准确，在场同步信号中开槽，并在它前后加均衡脉冲，由此合成了黑白全电视信号。其组成如图1-5所示。图中H表示行，黑电平表示75%处的高电平对应于黑色图像，白电平表示10%处的低电平对应于白色图像。

4．彩色电视信号

（1）彩色图像的分解 根据三基色原理，要实现彩色图像的传输，首先要将彩色画面分解为红、绿、蓝三基色图像，这是由彩色摄像机来完成的，其过程如图1-6所示。

（2）兼容制的要求 彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的，在彩色电视的发展初期，必然会有相当长的一段时间，黑白电视与彩色电视同时并存，这就要求彩色电视能与黑白电视“兼容”。所谓兼容，就是黑白电视机可以收看到彩色电视系统所发射的彩色电视节目（所看到的图像仍然是黑白图像）；彩色电视机可以收看到原有的黑白电视系统所发射的黑白电视节目（所看到的图像也是黑白图像）。

要做到兼容，彩色电视必须具备以下条件。

① 所传送的彩色电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分。亮度信号包含了彩色图像的亮度信息，它与黑白电视的图像信号一样，能使黑白电视机接收并显示出无彩色的黑白画面；色度信号包含了彩色图像的色调与饱和度等信息，被彩色电视机接收后，与亮度信号一起经过处理后显示出彩色画面。另外，彩色电视机接收到黑白电视信号后，也能显示出与黑白电视机基本相同的图像。

② 彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视信号通道的频率特性基本一致。应该有相同的频带宽度、图像载频和伴音载频。图像和伴音的调制方式应与黑白电视系统相同，而且频道间隔同为8MHz。

③ 彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方式、扫描频率和相同的辅助信号。

④ 应尽可能地减小黑白电视机收看彩色节目时所受到彩色信号的干扰，以及彩色电视中色度信号对亮度信号的干扰。

（3）色差信号 在彩色电视中除了传送亮度信号外，还需要传送代表色调和色饱和度的色度信号。为了获得只含有色度信息的色度信号，可以从三基色信号中减去亮度信号，即

R−Y G−Y B−Y

R−Y、G−Y、B−Y信号中没有亮度成分，这样的信号称为色差信号。

三个色差信号不是独立的，每个色差信号都可以由其他两个色差信号合成而得到。利用亮度方程式可以方便地推导出三个色差信号之间的关系为

0.3（UR−UY）+ 0.59（UG−UY）+ 0.11（UB−UY）= 0

由上式可知，任何一个色差信号都能用其他两个色差信号来表示，因此在传输信号时不需要将三个色差信号全部传输，只需传输其中两个即可达到将三基色中色度信息全部传输的目的。又因为三个色差信号中G−Y信号幅度最小，传送时不利于提高信噪比，所以在彩色电视信号中只传送R−Y和B−Y两个色差信号，G−Y可以在接收端根据亮度方程，通过矩阵电路换算出来，即

UG−Y=UG−UY=−0.51UR−Y−0.19UB−Y

（4）彩色全电视信号 为了实现兼容制的要求，彩色电视系统既要传送色度信号，又要传送亮度信号，而信号的带宽又不能大于6MHz，这就需要对R−Y、B−Y两个色差信号进行调制。调制的方法是用正交平衡调幅调制法，就是将R−Y和B−Y两个色差信号分别压缩0.877和0.493倍，变成V和U信号之后，分别对两个频率均为4.43MHz，但相位相差90°的色副载波进行抑制载波的调制。调制后的V、U信号再“穿插”到亮度信号的“空隙”中，这样对黑白电视信号的影响很小，仅在高亮度部分才能看到一些干扰。

由于在发射信号时对V、U信号进行平衡调幅，抑制掉了色副载波，而在接收解调时必须恢复副载波才能解调出色度信号。接收机恢复的副载波还必须与电视台的副载波同步，因而电视台必须发射色同步信号。

由此可见，彩色全电视信号包含亮度信号、正交平衡调幅调制的色度信号、色同步信号，同时还包括行、场同步信号，行、场消隐信号，用FBAS来表示。

彩色全电视信号的结构如图1-7所示（以彩条信号为例）。

5．彩色电视的制式

目前世界上现行采用的彩色电视制式有三种，即NTSC制、PAL制和SECAM制。三种制式的主要区别是将色差信号插入亮度信号中所采用的方法不同。

（1）NTSC制式NTSC制即是上述的正交平衡调幅调制。其突出特点是调幅波中没有副载波，需要在接收端设置副载波再生电路，恢复失去的副载波，以便解调出两个色差信号。该制式兼容性好，副载波对图像的干扰小，彩色清晰度高。主要缺点是对信号的相位失真十分敏感，容易产生色调失真。目前美国、日本、加拿大等国家采用此制式。

（2）PAL制式PAL制是针对NTSC制相位失真敏感的缺点提出的，它是NTSC制的一种改进形式，是将色度信号中的V分量逐行倒相，利用相邻行扫描色彩的互补性校正由相位失真引起的色调失真。主要缺点是电视机的电路结构比较复杂。目前，中国、英国、意大利等国家采用此制式。

（3）SECAM制式SECAM制与前两种制式的不同点是两个色差信号不是同时传送，而是轮流交替地传送。另外，色差信号对副载波采用调频方式，然后将两个调频波逐行轮换插入亮度信号中。这种制式的缺点是图像质量比以上两种制式差。目前法国、俄罗斯、东欧等国采用此制式。

由于以上三种制式传送色差信号的方法不同，所以三种制式之间不能相互兼容收看。

议一议

在相同距离观看彩色电视节目，为什么电视机屏幕越小，感觉图像清晰度越高？结合“像素”讨论。

基本技能

技能训练一观察彩色全电视信号

1．目的

（1）初步认识全电视信号的组成，了解全电视信号的特点。

（2）了解全电视信号各组成部分的作用。

2．器材

（1）彩色电视机一台/组、电视机拆卸工具一套/组。

（2）信号发生器一台/组。

（3）示波器一台/组。

3．操作步骤

步骤1 观察前的准备

（1）把信号发生器与彩色电视机连接好。

（2）调试彩色电视机，接收彩条信号，在电视机上呈现清晰的彩条图像。

（3）关闭电源，在老师的指导下拆开电视机后盖，调整主板的位置，以便测量。

（4）在教师的指导下，同学们找到亮度信号、色度信号、同步信号、消隐信号的测试点。

步骤2 观察全电视信号

（1）用示波器测量全电视信号的波形，并在图纸上绘制出来。

（2）将全电视信号断开，观察屏幕的现象。

步骤3 观察亮度信号的作用

（1）利用示波器观测亮度信号的波形，并在图纸上绘制来。

（2）将亮度信号断开，观察屏幕现象。

步骤4 观察色度信号的作用

（1）利用示波器观测色度信号的波形，并在图纸上绘制出来。

（2）将色度信号断开，观察屏幕现象。

步骤5 观察同步信号的作用

（1）利用示波器观测同步信号的波形，并在图纸上绘制出来。

（2）将同步信号断开，观察屏幕现象。

步骤6 观察消隐信号的作用

（1）利用示波器观测行、场消隐信号的波形，并在图纸上绘制出来。

（2）将行、场消隐信号断开，观察屏幕现象。

步骤7 整理现场

关闭彩色电视机，清理工作台面、整理仪表工具、打扫工位卫生。

4．技能训练记录

将观察的结果填写到表1-1。

技能训练二不同制式的彩色电视机图像的观察

1．目的

了解多制式彩色电视机在不同制式下接收PAL制图像和伴音情况。

2．器材

任一型号的多制式彩色电视机。

3．操作步骤

步骤1 打开彩色电视机，在PAL制式下观察某一频道的电视节目的图像和伴音状态，把观察结果写入表1-2。

步骤2 转换成NTSC制式，观察相同频道的电视节目图像和伴音状态，把观察结果写入表1-2。

步骤3 转换成SECAM制式，观察相同频道的电视节目图像和伴音状态，把观察结果写入表1-2。