视频图像传输与显示(2)——彩色模拟电视广播制式NTSC、PAL和SECAM
彩色模拟电视广播制式NTSC、PAL和SECAM
1. 模拟电视制式概述
电视制式，即电视信号的标准，可以简单地理解为用来实现电视图像、声音信号所采用的一种技术标准。电视制式有很多种。对模拟电视，有黑白电视制式、彩色电视制式，伴音制式等；对于数字电视，有图像、音频信号压缩编码格式（信源编码）、TS流（Transport Stream）编码格式（信道编码）、数字信号调制方式，图像显示格式等。这里只讨论模拟电视制式。
黑白电视制式的主要内容有：图像和伴音的调制方式、图像信号极性、图像和伴音的载频差、频带宽度、频道间隔、扫描参数等。世界各国所采用的黑白电视制式有：A、B、C、D、E、G、H、I、K、K1、L、M、N等，共计13种（其中A、C、E已不采用），我国为其中的D、K制。
彩色广播电视制式需要与黑白电视制式兼容，即黑白电视能够接收彩色电视信号，彩色电视也能接收黑白电视信号，只不过画面全都变成黑白的。彩色电视根据三原色原理，同时为了压缩传输频带，将R、G、B三个基色信号转变为亮度（Y）和红、蓝两个色差信号（R-Y和B-Y）。其中亮度信号可以用来传输黑白图像，色度和亮度信号组合可以恢复出R、G、B三个信号。因此，兼容制彩色电视除传送与黑白电视相同的亮度和伴音信号外，还在同一视频频带内同时传送色度信号。色度信号是由两个色差信号对视频频带高频端的色副载波进行调制而成的。为防止色差信号的调制过载，需要将红、蓝色差信号进行压缩，压缩后的红、蓝色差信号用V、U表示。
除了包括与黑白电视相同的扫描、信道等以拉丁字母来区别的制式内容外，根据发、收端对三基色信号的不同编、解码方式构成不同的彩色电视制式。今世界流行的彩色电视制式有三种： NTSC、PAL和SECAM。这三种制式不能互相兼容。在不支持某种制式的电视机上播放该种制式的信号，画面将变为黑白色。
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制式 |
NTSC |
SECAM |
PAL |
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应用对比 |
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全名 |
National Television System Committee |
Se'quential Co'uleur A Me'moire |
Phase Alternating Line |
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戏称 |
Never The Same Color |
System Essentially Contrary to American Method |
Perfect At Last |
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开发国家 |
美国 |
法国 |
联邦德国（西德） |
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成立时间 |
1953年 |
1966年 |
1967年 |
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细分格式 |
6种：NTSC、NTSC-C、NTSC-J、NTSC-M、NTSC-U、NTSC-Us |
6种：SECAM、SECAM-B、SECAM-D、SECAM-G、SECAM-K、SECAM-L |
10种：PAL、PAL-B、PAL-D、PAL-G、PAL-H、PAL-I、PAL-K、PAL-K1、PAL-N、PAL-M |
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采用国家/地区 |
美国、加拿大、墨西哥等大部分美洲国家以及日本、台湾、韩国、菲律宾等国家/地区 |
俄罗斯、法国、埃及以及非洲一些法语系国家等 |
除北美、东亚部分地区、中东、法国及东欧以外的世界上大部份国家/地区 |
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技术对比 |
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圆场频率 |
59.94 Hz |
50 Hz |
50 Hz |
|
圆框扫描线 |
525条 |
625条 |
625条 |
|
水平扫描频率 |
15,734.264 Hz |
15,625 Hz |
15,625 Hz |
|
亮度信号带宽 |
4.2 MHz |
6.0 MHz |
5.5 MHz |
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声音载波 |
4.5 MHz (System-M) |
6.5 MHz (System-DK) |
欧洲 5.5 MHz (System-BG) |
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色信号 |
I、Q |
DR +350K～-500K Hz |
U ± V |
|
系色信号 |
(455/2)fH = 3.579545MHz |
fDR 282fH = 4.2500MHz |
(1135/4)fH + fV/2 = 4.433618MHz |
|
色信号调频方式 |
相位及振幅正交调变 |
6.5 Hz |
相位及振幅正交调变 |
|
色差信号带宽 |
I=1.3 MHz |
fDR> 1.0 MHz fDB > 1.0 MHz |
U=1.3 MHz |
|
系色信号相位 |
－（B－Y） |
fDR 和 fDB 每隔3条扫描线改变180º |
U ± V |
|
色信号控制 |
不需要 |
利用垂直归线时9条扫描线 |
利用±180º摆动信号 |
|
外加信号 |
无 |
fH / 2，fH / 4， fV，fV / 2 |
fH / 2修正闸控信号 |
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数字化 |
较难 |
最难 |
容易 |
|
转换特性 |
NTSC<->PAL 容易 |
SECAM<->PAL 容易 |
PAL<->NTSC 容易 |
|
卫星通信 |
可行 |
可行 |
可行 |
|
操作方式 |
繁琐 |
最简单 |
简单 |
|
画面效果 |
会闪烁 |
细致 |
较稳定 |
|
兼容性 |
最佳 |
稍差 |
佳 |
|
彩色同步频率 |
3.58 MHz |
4.433 MHz |
4.433 MHz |
另外，根据混色原理的不同，还可以将彩色电视制式划分为顺序制、同时制和顺序-同时制。
顺序制：利用空间混色原理和时间混色原理，将代表一个像素点的、信号，如R、G、B三基色，按一定顺序传送到显像管，利用人眼的视觉暂留特性混合成彩色图象。顺序制又分为场顺序制、行顺序制和点顺序制，它们分别是逐场、逐行、逐点地顺序传送三基色信号。顺序制的优点是设备简单，彩色图象质量较好，但是兼容性很差或者不能兼容。
同时制：利用时间混色原理，它将R、G、B三基色编码成的亮度信号和色度信号同时传送，经过解码得出三基色信号，然后由显像管合成彩色图象。同时制的优点是可以兼容，图象质量较好，但是设备复杂，亮度与色度信号往往存在相互干扰。NTSC、PAL都属于同时制。
顺序-同时制：是上述两种制式的组合。例如，可将一个基色信号经常传送，而将另两个基色信号依次顺序传送，然后在显像管中合成彩色图象。其优缺点与同时制相同。SECAM属于顺序-同时制。
2. National Television System Committee (NTSC)
正交平衡调幅制NTSC是与1952年12月由美国国家电视系统委员会制定的彩色电视广播标准。美国、加拿大、墨西哥等大部分美洲国家以及日本、台湾、韩国、菲律宾等均采用这种制式，香港部份电视公司也采用NTSC制式广播。
这种制式根据人眼分辨蓝、品红之间颜色细节的能力最弱，而分辨红、黄色之间颜色细节的能力最强的视觉特性，采用蓝、品红之间的色差信号Q和红、黄之间的色差信号I来代替蓝、红色差信号U和V。用Q、I色差信号分别对初相角为33°和123°的两个同频色副载波进行正交平衡调幅，以便于解码分离和抑制副载波。调制后的两个色差信号经混合组成色度信号。为在接收端对色度信号进行同步检波，须在发送端利用行消隐期间送出色同步信号。色度信号调制原理如下图所示。
NTSC彩色电视制式的主要参数：同时制；采用YIQ颜色模型；画面分辨率720*480，长宽比4：3；隔行扫描，一帧分为奇、偶两场，262.5线/场，一帧图像总扫描行数为525行；刷新速度（帧频）为29.97 帧/秒，故场频为59.94场/秒；根据色度副载波频率的不同，还可分为NTSC4.43和3.58两种。
NTSC的主要缺点是，存在因相位敏感而导致的颜色失真。
3. Phase Alternation Line (PAL)
4. Sequential Coleur Avec Memoire (SECAM)
顺序传送彩色与存储制SECAM采用，1962年由法国研制成功，1967年在法国正式广播。它也克服了NTSC制式相位失真的缺点，但采用时间分隔法来传送两个色差信号。采用SECAM制的国家主要为大部分独联体国家 （如俄罗斯）、法国、埃及以及非洲的一些法语系国家。
SECAM中的色度信号采用频率调制，而且它的两个色差信号是按行的顺序传送的。在接收端解码时，需要有亮度和两个色差信号才能解码出R、G、B三基色信号，因此在接收解码器中利用延迟线将其中一个色差信号存储一行的时间，在与下一行收到的亮度和另一个色差信号一起组成三基色信号。
SECAM彩色电视制式的主要参数：顺序-同时制；采用YUV颜色模型；标准分辨率720*576，长宽比4：3；隔行扫描，一帧分为奇偶两场，奇场在前、偶场在后；一帧图像总扫描行数为625行，312.5线/场；刷新速度（帧频）为25 帧/秒，故场频为25场/秒。
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