§3.4 PAL 制
3.4.1 PAL制的基本原理
一、逐行倒相
为了克服NTSC制的相位敏感性,产生了PAL制(Phase Alternation Line),PAL制是在NTSC制的基础上发展起来的,它沿用了NTSC制中行之有效的绝大部分技术,它也采用正交平衡调幅。但不同的是,它使色度信号中
分量保持不变,使
分量逐行倒相,例如,传送第n行时为
,传送第n+1行时
,传送n+2行时为
…,如此等等,逐行交替传送。因此,PAL制又称为逐行倒相正交平衡调幅制。PAL制的色度信号为:
上式中:
而
是一个以2H为周期的开关函数,它的值逐行交替的取+1和-1,其表达式为:
式中,TH为行周期,n=0,1,2,…。
的波形图如图3.4-1所示。
由上可见,PAL制的色度信号仍是一个正交平衡调幅信号,与NTSC制不同之处是V分量逐行倒相。因此,在相邻两行的PAL色度信号中,一行与NTSC制色度信号完全相同,称它为NTSC行;另一行色度信号的相位改变符号,称它为PAL行。
NTSC行
PAL行
式中,F是被传送景物的色度信号,
是F的共轭复数。PAL制色度信号的矢量表示法,如图(3.4-2)所示。
在PAL制的色度信号中,除了PAL行的相角和NTSC行的相角不同外(两者之和为360°),其他参数均和NTSC制的色度信号相同。
在接收端,为检出正确V信号,必须使送入V信号同步检波器的副载波相位也和发送端一样进行逐行倒相,检波以后的V信号就恢复原来状态了。
二、色调失真的补偿
在NTSC讨论制论的性能时曾指出:由于微分相位,不对称边带和多径接收等原因会引起重现图象色调的严重畸变。在PAL制中,由于采用逐行倒相的措施,能使上述原因引起的色调失真得到很大的改善和补偿,有力地克服了NTSC制的最大缺点-----相位敏感性。下面仅以PAL制克服微分相位失真为例进行说明,对于克服不对称边带和多径接收而引起的色调失真,读者可查参考文献〔2〕、〔5〕。
微分相位失真只与亮度电平有关,相邻两行上的亮度总是差不多的,它们的微分相位也就相同,假设都滞后了一个相角Φ,则如图3.4-3所示。对一个任意的色度信号F来说,其NTSC行的失真信号为F1;PAL行由于逐行倒相,相邻象素色度信号本来是
,滞后Φ角就成了F2。在接收机中,PAL行的矢量F2又被倒相变成
,
和F1恰好对称地位于F的两旁。经过视觉平均以后,两者的合成彩色将准确地等于原来的色调,只不过饱和度下降为无失真时的
倍。所以色度信号的幅度相对变化量是
。当幅度下降15%时,人眼刚刚察觉出饱和度下降。按此计算:当幅度下降30%时,将出现人眼不能允许的饱和度失真,按此计算:
因此PAL制规定:微分相位的容限为±40°。
举例来说,如果F是紫色,失真后的F1是紫偏蓝色,
为紫偏红色,由于荧光屏上这两个象素相邻近,所以看起来还是紫色。即使是相位误差φ高达40°,F1几乎已经是蓝色,
几乎已经是红色,但平均起来还是紫色。
这里所说平均有两种方法:(1)利用人眼的视觉特性,就把空间上和时间上相邻两行的色度信息平均起来(混色),得到原来的色调。这种平均的办法简单,在相位失真Δφ不大时,可以得到较好的效果,但当相位失真Δφ较大时,平均效果就大大减弱。(2)比较完善的平均办法是采用延时线,把两行的色度信号加以平均,这种方法称为电平均法。
综上所述,PAL制采用逐行倒相与平均作用后,把严重的色调失真变成人眼不敏感的饱和度失真,有力地克服了NTSC制相位敏感性的缺点,其微分相位失真容限从NTSC制的±12°扩大到±40°。
三、色同步信号
在PAL制中,V信号是逐行倒相的,所以在接收机的同步检波中,解调V信号的副载波也必须是逐行倒相的。要求PAL制的色同步信号不但要给出基准副载波的频率和相位,而且还要给出一个判断V信号极性的识别信号,使接收机能判断哪一行是+V,哪一行是-V,以便将副载波的极性进行倒换,准确地检出V信号。
为了使色同步信号具有上述功能, 就不能象NTSC制那样只传送一个与U轴成±180
[Page]°角的相位固定的色同步信号,而必须传送一个相位逐行变化的色同步信号。其表达式如下:
上式表明:PAL色同步信号是由恒定相位分量和逐行倒相分量两部分组成,前者用来传送副载波的相位信息(称为锁相分量);后者用来传递开关极性信息(称为识别分量)。PAL色同步信号的相位在NTSC行为135°,在PAL行为225°,具有逐行摆动±90°的规律,因此也称摆动色同步信号。对于625行PAL制,色同步信号包含10个周期的
副载波,也是位于行消隐的后肩上,PAL色同步信号的矢量表示法如图3.4-4所示。
四、色度信号的解调
如前所述,由于PAL制采用了逐行倒相的方法,使相邻两行的色度信号产生了相反的相位失真。因此,将两行的色度信号进行平均后,就可以使两种相反的失真相互补偿。平均的办法有两种:一种是利用人眼的视觉特性进行光学平均;另一种是利用延时线进行电学平均。对应于两种不同的平均方法,有两种不同的解码方式。利用光学平均的解码方式称为简单PAL制解码方式,简记为PALs解码方式。利用电学平均的解码方式,称为标准PAL制解调方式,简记为PALD解码方式。
PAL解码器方框图如图3.4-5所示。其原理与NTSC解码器大致相同,不同之处是副载波形成电路要给V同步检波提供一个逐行倒相的副载波。这种解码方式简单,相位失真小时,相邻两行的色调失真可以靠人眼视觉特性进行平均。但是当相位失真较大时,屏幕上会出现亮的水平滚动条纹,通常称为爬行效应或百叶窗交应。传输出系统的相位失真越大,相邻两行的色调差别就越大。由于显象管的非线使恒定亮度原理失效,所以色调失真对亮度的影响就越大,爬行现象越严重。为使人眼看不出明显的爬行现象,要求传输系统的相位失真不能超过±3°,这比NTSC制的要求还严格。因此要使PAL制克服色调失真的功能得到充分发挥,必须采用电平均的办法,即采用带有延时线的标准解调电路。
图3.4-6为PALD解码器方框图,它与PALS解码器唯一的不同之处是增加了一个梳状滤波器。下面重点介绍梳状滤波器的工作原理。
梳状滤波器又称为延时解调器,它由超声延时线DL、加法电路和减法电路组成。它有两个作用:其一是将色度信号延迟大约一行时间,使相邻两行的色度信号进行平均,以消除由于相位失真所产生的色调畸变;其二是通过延迟的色度信号和不延迟的色度信号相加或相减,将色度信号中的两个色度分量U、V进行第一次分离(实质是频率分离),以克服两个色度之间的相互干扰。
为了使梳状滤波器具有上述两个作用,延时线的延时时间Ti既要非常接近或者等于一个行周期(64μs),又要严格地等于副载波半周期的整数倍。因为
,所以延迟时间可以取二种:
现以
的情况证明梳状滤波器的分离作用。设直通信号和延迟信号分别为:
因为
,所以直通信号和延时信号的副载波的相位相反,即
又因
∴
假定信号通过延时线后的幅度不衰减 ,并且假设相邻两行的色度不变,则
所以
将直通信号和延时信号相加得:
将直通信号和延时信号相减得:
所以,梳状滤波器的相减端只输出色度信号的u分量,而相加端只输出v分量,色度信号两个分量得到完善的分离。同理可以证明,当延迟时间Td=Td2=284Ts=64.056μs时,梳状小波器的相减端将输出v 分量,而相加端却输出u分量,后一情况相当于前一情况下两个输出端对换,因而输出量对换是必须的。PALD解码方式,除利用电平均补偿相位失真外,同样也利用视觉平均来补偿相位失真。
综上所述,PAL制克服NTSC制相位敏感性的基本原理可概括为:采用逐和倒相正交平衡调幅的色度信号,在解调时先经梳状滤波器分离,然后再同步检波;最后又利用视觉平均作用补偿小幅度串色所引起的彩色偏差。
3.4.4 PAL制的性能
一、PAL制的优点
与NTSC制相比较,PAL制有下列优点:
1.对相位失真(包括微分相位失真)不敏感。PALD容许整个系统色度信号最大相位失真比NTSC制大得多,达到±[Page]40°,也不产生色调失真。因此,对传输设备和接收机的技术指标要求,PAL制比NTSC制低。
2.比NTSC制抗多径接收性能好。
3.PAL制相对NTSC制而言,色度信号的正交失真不敏感,并且对色度信号部分抑制边带而引起的失真也不敏感。
4.PAL接收机中采用梳状滤波器,可使亮度串色的幅度下降3dB,并且可以提高彩色信噪比3dB。
二、PAL制有下列缺点
1. 由于PAL制色信号逐行倒相,传输及解码中产生的误差(例如微分相位等),将在图象上产生爬行及半帧频闪烁现象。
2.PAL信号不利于信号处理(包括数字信号处理,亮度信号的彻底分离等),这是因为它的色度信号逐行倒相,色副载波相位8场一循环引起的。
3.与NTSC制一样,彩色接收机图象的水平清晰度比黑白电视机的低。
4.垂直彩色清晰度PAL制比NTSC制低。