视频信号是什么

视频信号是指电视信号、静止图像信号和可视电视图像信号。视频信号可以支持三种格式:NTSC、PAL和SECAM。

视频信号是指电视信号、静止图像信号和可视电视图像信号。视频信号可以支持三种格式:NTSC、PAL和SECAM。

视频信号

模拟视频有三种格式:北美和日本使用的NTSC系统，西欧和中国使用的PAL系统，东欧和俄罗斯使用的SECAM系统。下面主要介绍国内广泛使用的PAL视频信号的形成原理。

根据三原色原理，将R(红)、G(绿)、B(蓝)以不同的比例混合，可以表现出各种颜色。相机拍摄时，光信号通过光敏器件(如CCD)转换成RGB三原色电信号。在电视或显示器中，RGB信号用于控制三个电子枪发射的电子流撞击荧光屏，从而使它们发光并产生图像。因为摄像头中的原始信号和电视、显示器中的最终信号都是RGB信号，所以使用RGB信号作为视频信号的传输和记录方式，无疑会有更高的图像质量。但实际应用中往往不是这样，因为会大大拓宽视频信号的带宽，增加相关设备的成本；其次，与现在的黑白电视不兼容。因此，三原色信号按一定比例组合成亮度(y)和色度(u，v)信号，它们之间的关系如下:

为了使U、V、Y在一个频带内传输，达到接收兼容的黑白/彩色视频信号的目的，需要对这两个色度信号进行正交调幅。设U(t)，V(t)为色度信号，Y(t)为亮度信号，则两个调制色度信号为:

u(t)=U(t)sin(ωsct)

V(t)= V(t)φ(t)cos(ωSCT)(1.2)

其中ωsc=2πfsc为色度信号副载波角频率，φ (t)为切换函数。得到的正交调幅色度信号为:

C(t)= u(t)+v(t)= C(t)sin[ωSCT+θ(t)]1.3

其中:θ (t) = φ (t) TG-1 [v (t)/u (t)]

C(t)=

φ(t)是开关函数。如果φ(t)= 1，则可以表示NTSC色度信号。例如φ (t) =+1(偶数行)或-1(奇数行)，可以表示彩色副载波逐行反转的PAL色度信号。

在PAL系统中，色度副载波频率fsc=283.75fh=4.43MHz，行频率fh=15.625kHz，帧频率=25Hz，场频率=50Hz。在NTSC系统中，色度副载波频率fsc=227.50fh=3.589545MHz，线频率fh=15.75kHz，帧频=30Hz，场频=60Hz。两种系统的图像长宽比为4∶3。

从视频信号的频谱来看，色度信号的副载波位于亮度信号频谱的高频端，如图1所示。这样，两个正交调制的色度分量被插入亮度信号的高频部分之间，形成彩色电视的基带信号，也称为复合电视信号或全电视信号:

e(t)= Y(t)+C(t)= Y(t)+C(t)sin[ωSCT+θ(t)](1.4)

图1复合视频信号频谱(PAL制)

复合视频主要用于方便电视信号的传输和传输。为了确保传输图像的稳定再现，实际的全电视信号还包括复合同步信号(包括行场同步和行场消隐)和颜色同步信号。以上是彩色电视信号，黑白电视信号可以看作是彩色电视信号的特例，前提是C(t)=0。

最近很多视频设备除了复合视频输出，还增加了S视频输出终端。s-视频信号两行输出亮度Y(t)和色度信号C(t)，这样就不会将Y和C合并输出，输出到其他设备后再将Y和C分开。这样的迭代过程不利于图像质量。

视频图像和电影一样，是由一系列单个静止画面组成的，称为帧。一般当帧率在24-30帧/秒之间时，视频图像的运动感是平滑连续的，而当帧率低于15帧/秒时，连续的运动图像会有动画感。中国的电视标准是PAL制，规定每秒25帧，每帧有625条水平扫描线。由于采用隔行扫描方式，625条扫描线分为奇数行和偶数行，分别构成每帧的奇数场和偶数场。这样就形成了50场/秒的场频，进一步降低了电视画面的闪烁。

由于电子束在每一帧中是从上到下扫描的，所以从屏幕右端到左端有一个行扫描后向周期，从屏幕右下角的终点到屏幕左上角的起点有一个场扫描后向周期。在此期间，消隐的扫描线不可能携带图像内容，场扫描的后向周期约占整个垂直扫描时间的8%。同样，在64μs的整行扫描周期内，有效扫描时间(携带信息)约为52 μ s。

视频信号格式

y代表亮度(亮度)和c代表色度(色度)。YPBPr将模拟y、Pb、Pr信号分开，用三根电缆独立传输，保证了色彩重现的准确性。YPbPr代表逐行扫描色差输出。ypbpr接口可以看作是s终端的扩展。与s端相比，PB和PR两种信号需要传输的次数更多，避免了双向色差混合解码和再分离的过程，也保持了色度通道的最大带宽。仅通过逆矩阵解码电路即可还原为RGB三原色信号进行成像，最大限度缩短了从视频源到显示成像的视频信号通道，避免了繁琐的传输过程造成的图像失真，保证了色彩再现的准确性。目前几乎所有的大屏幕电视都支持色差输入。

YCbCr代表交错组件终端。YCbCr和YPbPr只是为了方便新人快速区分国产电视的分/递进界面。

CbCr是原始理论分量/色差的符号，C代表分量(分量的缩写)，Cr和Cb分别对应R(红色)和B(蓝色)分量信号，Y除了G(绿色)分量信号外叠加亮度信号。至于YPbPr，则是后来强调逐行的概念，并展示其戏剧性的变化。

YUV (YCrCb)是欧洲电视系统(属于PAL)采用的一种彩色编码方法。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其与老式黑白电视向后兼容。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点是只需要很小的带宽(RGB要求同时传输三个独立的视频信号)。其中“y”表示亮度(辉度或明度)，即灰度值；而“u”和“v”则表示色度，用来描述图像的颜色和饱和度，指定像素的颜色。亮度是通过将RGB信号的特定部分叠加在一起而从RGB输入信号中产生的。色度定义了颜色的两个方面——色相和饱和度，分别用Cr和CB表示。Cr反映的是GB输入信号的红色部分与RGB信号的亮度值之间的差异。而CB反映的是RGB输入信号的蓝色部分与RGB信号的亮度值之间的差异。

重放原理

显然，回放过程是记录过程的逆过程，是将记录在磁带上的磁信号转换成电信号的过程。虽然不同类型录像机的播放系统的电路形式不同，但它们的功能都是一样的，即经过播放系统的处理后，恢复出符合要求的视频信号。在本节中，我们将以分量录像机为例，简要分析视频信号的回放。

亮度信号的再现过程

是分量录像机的回放通道。两个旋转的亮度头拾取亮度调频信号，经过头放大器和头开关后，形成射频亮度信号，并以两种方式输出。一路经过压差检测电路产生压差检测脉冲，然后由时基校正电路中的压差补偿电路进行压差补偿；另一路通过频率解调器对亮度调频信号进行限幅解调处理，得到恢复的亮度信号。然后通过非线性去加重和去加重电路去加重，恢复信号原有的幅频特性，抑制高频端的杂波能量，提高高频端的信噪比。之后信号进入时基校正电路，完成消噪、时基校正和损耗补偿的处理。最后将信号分成两路，输出一路作为分量亮度信号；另一路进入Y/C混合电路，与编码色度信号混合，形成复合彩色视频信号输出。

前置放大器

又称前置放大器，是一种低噪声、高增益的宽带放大器。它将旋转变压器输出的1mv弱射频信号放大到几百mv，以满足后续电路对信号处理的要求。一般其增益在40dB以上。另外，由于前置放大器是回放电路的第一级，其噪声系数会影响整个电路的信噪比，所以必须是低噪声放大器。此外，录音和播放过程中有很多损耗，尤其是高频损耗，所以在前置放大器中要进行高频补偿，即校正幅频特性。

磁头切换电路

在双头录像机中，磁带和磁头鼓之间的包角略大于180°，因此在记录时，在A磁头离开磁带之前，磁带的另一面已经贴在B磁头上。在两个磁头同时与磁带接触期间，相同的内容将被记录在两个相邻磁道的磁头和末端，形成一个重复部分，大约10行。

磁头切换电路的作用是切断两个磁头的冗余信号，将A、B磁头的不连续信号变为连续输出信号。切割动作根据伺服系统产生的磁头切换脉冲进行。它是一个频率与滚筒转速相等的方波，其跳跃边缘正好在重叠部分的中心。

信号损失补偿

由于磁粉的损失、磁头和磁带之间的瞬时接触不良或磁带上的灰尘，再现的亮度信号的一些幅度下降。严重时可能没有信号输出，也就是信号丢失。这种情况反映在图像上出现水平白噪音或条纹。信号的丢失是不规则的，不可能在丢失点补上同样的信号，但也不能差太远。由于电视信号中相邻两条线路的信息是相似的，所以称之为线路相关原理。根据这个原理，我们可以用前一条线路的信号来代替这条线路的丢失信号。但由于电路的技术能力有限，不可能检测出所有的小损耗，所以通常在损耗长度相当于5us时间或者信号输出衰减大于16dB时进行损耗补偿。

限幅解调电路

为了消除亮度信号中的寄生调幅和高频杂波，保证解调电路的正常工作，通常在解调电路之前设置一个限幅电路。FM信号幅度降低到1/2(降低6dB)，信号能量也降低到一半。如图4-39所示。

限制电路有两个功能:

(1)通过将信号变为近似矩形波，可以恢复上边带能量丢失的部分，为后续电路提供所需的信号波形。

它可以消除亮度调频信号的所有寄生调幅，保证解调电路的正常工作，提高信噪比。

限制电路的要求是:

(1)应有足够的限幅深度(40~50dB)，限幅至少要进行两次，中间要插一个放大器，使限幅和放大交替进行。

应该有足够的通带完全通过FM信号的初级上边带。

要求对称限幅，否则会出现二次谐波分量，产生莫尔干涉。

解调电路是回放系统的核心，其功能是解调输出的调频波并将其恢复为视频信号。

解调电路的要求是:

解调性能好，解调负载泄漏小；

可调频率范围应包括调频信号的整个范围。

由于调频信号载波频率低，相对频偏大，一般鉴频方法不能保证鉴频的线性，因此应采用脉冲计数鉴频器或延迟线解调器。

非线性去加重和去加重

为了提高回放信号的信噪比，视频信号应该在调频前进行预加重和预加重。在回放期间，为了恢复信号的正常频率调制特性，有必要对解调的视频信号执行非线性去加重和去加重。去加重的频率特性与预加重相反，因此在去加重的过程中高频成分被衰减，从而降低了信号的高频噪声，提高了信噪比。非线性去加重也是非线性预加重的逆过程。其主要目的是通过抑制信号的高频成分，提高高频端的信噪比来消除高频杂波能量，因此也称为杂波消除电路。

时基校正

视频信号回放过程中，由于磁头旋转不均匀，磁带运行速度不稳定，磁带伸缩，回放的视频信号会产生抖动，即时间轴发生变化，产生时基误差。这种影响表现在亮度信号在同步信号的周期内抖动，而色度信号是副载波频率和相位的变化，导致图像色调失真。也就是说，当磁带由于各种原因改变时，视频信号在时域中被压缩或拉伸。时间轴参考长度的这种变化称为时基误差。如图4-40所示。图中信号周期延长△TH，为时基误差。要减小时基误差，仅靠提高录像机的机械精度和伺服系统精度是难以满足要求的。一般需要采用电路校正的方法，就是时基误差电路。图4-37所示的时基校正电路(回放通道)由消噪、时基校正器、损耗补偿电路等组成，它们各司其职。

tu 4-40

在录像机发展之初，模拟延时电路通过控制延时量来校正信号的时基误差。但是模拟电路的校正度太小，于是出现了数字时基校正器电路。

数字时基校正器的基本原理是将录像机重放的视频信号转换成数字信号存储在数字存储器中，并控制从存储器中读取的信号给出不同的延时，实现时基校正。关于时基校正电路的原理，我们将在后面的章节中具体介绍。

色度信号的再现过程

类似于亮度信号的再现过程，由两个色度头再现的色度信号在头放大器和开关切换后被分成两路。一路去AFM解调电路，利用带通滤波器从频分复用复合频谱中取出两路AFM信号；另一个通道经射频放大后进入色度信号通道，后者电路的形式与亮度通道基本相同。但是需要指出的是，在色度时基校正电路中，除了与亮度通道相同的处理，如去噪、时基校正、损耗补偿等。此外，还有不在亮度信号中的处理工作，即时间轴扩展。它是时间轴压缩的逆变换，即将经过时间轴压缩的合成时分复用信号CTDM通过时间轴扩展还原为R-Y和B-Y色差信号。

一方面，时基校正后的两个色差信号作为分量色度信号输出，另一方面，它们被色度编码以形成色度信号，该色度信号与亮度信号混合，然后作为复合全电视信号输出。

相关知识

交流耦合、偏置和箝位的原因

大多数视频传输系统由单个电源供电。使用单电源意味着视频信号的交流耦合，这也降低了视频质量。例如，数模转换器(DAC)，DAC的输出可以进行电平转换(DC工作模式)，以确保输出的动态范围高于0电平。在实践中，常见的错误观点是，运算放大器可以检测到低于地电平的信号，因此信号可以在输出中再现。这种观点是不正确的。一体化单电源解决方案才是真正的解决方案。当然，视频信号的交流耦合会带来问题。设定好图像亮度后，必须重构信号的DC电平，保证信号落在下一级的线性工作区内。这种操作称为“偏置”，可以根据视频信号的波形和所需的偏置点的精度和稳定性使用不同的电路。但是S视频中只有色度信号(C)类似于正弦波。亮度(y)、复合信号(Cvbs)、RGB都是复波形。它从参考电平向一个方向变化，同步波形可以叠加在参考电平之下。这种信号需要对视频信号采用特殊的偏置方法，称为箝位，因为它将信号的一个极值箝位到参考电压，而另一个极值仍然可以变化。经典的形式是二极管箝位，其中二极管由视频的同步信号激活。但是，还有其他的夹紧形式。

视频信号的交流耦合

当信号被交流耦合时，耦合电容器存储信号源和负载之间的平均值和DC电势差的总和。图1说明了交流耦合对不同信号偏置点稳定性的影响。图1显示了正弦波和脉冲交流耦合到接地电阻负载之间的差异。

图1。当使用正弦波和脉冲时，使用简单的RC耦合来获得不同的偏置点

开始时，两个信号在相同的电压下变化。但是经过电容后得到的结果不一样。正弦波在半幅值点附近变化，而脉冲在电压附近变化，电压是占空比空的函数。这意味着如果采用交流耦合，变化比为空的脉冲将需要比相同幅度和频率的正弦波更宽的动态范围。因此，最好对用于脉冲信号的所有放大器使用DC耦合，以保持动态范围。视频信号类似脉冲波形，DC耦合也适用。

图2显示了视频接口处的常见视频信号和标准幅度(参见EIA 770-1、2和3)。s视频中的色度，分量视频中的Pb和Pr像正弦波一样围绕参考点变化，如上所述。而亮度(y)、复合信号和RGB仅在0V(称为“黑色”或“消隐”电平)和+700mV之间正变。业内的默许协议在这里延伸，不是什么标准。请注意，这些信号是具有同步间隔的复杂波形，尽管可能没有定义或使用同步间隔。例如，图2显示了在NTSC和PAL系统中使用的带有同步头的RGB。在PC(图形)应用中，同步是一个单独的信号，不与RGB叠加。在单电源应用中，如数模转换器输出，同步间隔期间的静态电平可能不同。这会影响偏置模式的选择。例如，在双电源应用中，如果同步间隔中色度的静态电平不是0V，色度信号将比正弦波更接近脉冲。

图2。RGB (a)、分量(B)、S-video (C)和复合(D)视频信号用于说明同步间隔、有效视频、同步头和后沿。

尽管有上述复杂的因素，视频信号仍然需要交流耦合到电压变化的位置。通过DC耦合连接两个不同电源的电路存在很大的危险，这在安全规则中是严格禁止的。所以视频设备厂商有一个默契的规则，就是视频信号的输入是交流耦合，而视频信号的输出是DC耦合到下一级，DC分量重新建立。请参考EN 50049-1 (PAL/DVB [SCART])和SMPTE 253M 9。第5章(NTSC)，允许提供DC输出电平。如果不能建立这样的协议，就会导致“双重耦合”，即两个耦合电容串联出现，或者导致短路，即没有电容。这条规则的唯一例外是电池供电的设备，如便携式摄像机和照相机，使用交流耦合输出来减少电池损耗。

接下来的问题是这个耦合电容应该有多大？在图1中，电容器存储信号的“平均电压”的假设，该假设是根据RC乘积大于信号的最小周期的事实获得的。为了保证精确的平均，RC网络的低-3dB点必须比信号的最低频率低6到10倍。然而，这将导致大范围的电容值。

比如S视频中的色度是相位调制正弦波，其最低频率约为2MHz。即使使用75 ω负载，也只需要0。1μF，除非需要通过水平同步间隔。相反，y(亮度)、Cvbs(复合信号)和RGB的频率响应被扩展到视频帧速率(25Hz到30Hz)。假设负载为75ω，并且-3dB点在3Hz和5Hz之间，这需要大于1000 μ f的电容。使用太小的电容将导致显示图像从左到右和从上到下变暗，并可能导致空之间的失真(取决于电容)。在视频中，这被称为线弯曲和场倾斜。为了避免可见的杂散信号，其电平必须小于1%至2%。