基于matlabsimulink彩色全电视信号仿真课程设计报告--学位论文.doc

中国传媒大学南广学院

课 程 设 计 报 告

基于MATLAB/Simulink彩色全电视信号仿真

学 院 传媒技术学院
专 业 通信工程
姓 名 王晶
学 号 20120803103
指导教师 华鸣
指导日期

中国传媒大学南广学院
2015年 10月 30 日

摘要 3
一、基于MATLAB的彩色电视信号的构成 3
1.1电视基本组成原理……..………………………………………………………………………4
1.2彩色图像的摄取与重现………………………………………………………………………..5
二、简化的彩色电视接收机仿真 ……6
2.1彩色图像的摄取与重现……………………………………………………………………….7
2.2彩色电视的基本传送过程……………………………………………………………………..8
三、发送彩条信号时的仿真电视接收机输出结果对比图MATLAB-GUIDE的设计 9
四、Simulink彩色全电视信号的编码 14
4.1彩色全电视信号的构成…………………………………………………………………….. 14
五、课程设计小结 16
六、附录 16

摘要
本课程设计主要是以matlab/simulink为基础平台，基于matlab的彩色电视信号的构成；简化的彩色电视接收机仿真；彩色全电视信号的编码仿真。对彩色全电视编码过程及其重要信号与其频谱分析进行了详细论述。通过标准彩条信号仿真电视系统中各主要阶段的电视波形，并对波形进行分析。主要分析和比较模型的显示波形与理论波形仿真结果表明，该模型能够正确地仿真出动态的电视信号波形。 其中包括色差信号 （R-Y,B-Y） ,亮度信号 Y,色度信号 （U,FU,V,FV,F） 以及行同步，场同步，消隐脉冲，色同步等信号以及最终合成的彩色全电视信号（FBAS）的波形图。对彩色全电视解码过程及其重要信号与其频谱分析进行了详细论述。
关键词： PAL；MATLAB/SIMULINK仿真平台；电视信号波形；标准彩条信号
一、 基于MATLAB的彩色电视信号的构成
彩色全电视信号波形如图 所示。在一个扫瞄行中，由行同步脉冲、消隐脉冲、色同步脉冲以及图像信号波形构成。行频率为15625KHz，对应的行周期是64微s。其中，消隐脉冲约占15¹s，相对电平为0.75，行同步脉冲位于消隐脉冲之中，宽度是4:7微s，相对电平为1，色同步脉冲位于行同步脉冲的后肩上，由具有一定相位的十个周期左右的副载波组成，其振幅的相对电平大小约0:12。其余约49微s 时间上用于传送一行图像，即图像矩阵中的某一行。图像信号相对电平范围在0.125 到0.75 之间，其中，0.125 为白信号电平，0.75 为黑信号电平。

图1 彩色全电视信号波形
彩色全电视信号中的图像信号由亮度信号和色差信号组成。其中，两个色差信号使用正交平衡调制后与亮度信号迭加。由于电视图像信号是以行（64 微秒）为周期的近似周期信号，在频谱上看，其信号能量集中在以行频率（fH = 15625Hz）为间隔的谱线附近。这样，如果选择正交平衡调制载波频率为fc = (n + 0:5)fH，n 为正整数，则色差信号经过平衡调制后输出信号频谱谱线刚好插入在亮度信号的频谱谱线间隙的中间，称为半行频间置，这样就能够避免相互干扰。例如，NTSC 制式中，副载波频率选为
fc=283.5 fH=4:4296875MHz
NTSC 制式中彩色全电视信号中图像信号S 表示为
S = Y + V cos 2¼fct + U sin 2¼fct
其中，Y ，V ，U 分别为亮度信号和两个压缩色差信号。
忽略场同步脉冲，试产生实例5.13 中彩条图像的彩色全电视信号，并得出其
NTSC 制式中彩色全电视信号中图像信号S 表示为
S = Y + V cos 2¼fct + U sin 2¼fct (5.47)
其中，Y ，V ，U 分别为亮度信号和两个压缩色差信号。
建模分析和仿真参数计算：
设仿真采样率为20MHz，这样可以仿真计算的最高频率为10MHz。一行中的图像信号传输时间为49 微秒，故每行图像的相应采样点数为980 点。如果使用图像矩阵中每行元素数不为980，那么可用插值方法得出所需的采样点数。
消隐脉冲时长为15 微秒，用300 个采样点表示，其中设第103 到197 点表示4.7 微秒的行同步脉冲头，第220 到265 点表示色同步载波，其余表示消隐脉冲。色同步载波设为
c(t) = 0.12 cos 2 fct (5.48)
在仿真编程中，还需要将图像矩阵中像素取值范围（0 到255）转换为视频信号规定的表示范围（0.125 到0.75）以及进行相应的数据类型转换。
根据以上分析编写的仿真程序如下。
clear all;clc;
I=imread('colorbar.tif');%彩条型号
figure(1);imshow(I);title('彩条信号');
I=double(I);
[m,n,p]=size(I);
I=-(0.75-0.125)./(255).*I+0.75;%换算为0.125到0.75电平
R=I(:,:,1);G=I(:,:,2);B=I(:,:,3);%三基色分离
R=reshape(R',1,m*n);%转换为1维（红）
G=reshape(G',1,m*n);%转换为1维（绿）
B=reshape(B',1,m*n);%转换为1维（蓝）
Y=0.3*R+0.59*G+0.11*B;%亮度
R_Y=R-Y;%色差R0
B_Y=B-Y;%色差B0
V=0.877*R_Y;%色差电平压缩
U=0.493*B_Y;%色差电平压缩
f_c=283.5*15626;%副载波频率
tvY=interp1(Y,(1:n/980:m*n),'nearest');%插值：行采样980点
tvV=interp1(V,(1:n/980:m*n),'nearest');%插值
tvU=interp1(U,(1:n/980:m*n),'nearest');%插值
%全电视信号产生
for h=1:(m-2)
s(1280*h+(1:102))=0.75;%消隐脉冲
s(1280*h+(103:197))=1;%行同步头
s(1280*h+(198:300))=0.75;%消隐脉冲
s(1280*h+(301:1280))=tvY(h*980+(-1:978));%图像一行像素—亮度
% 色差V
sV(1280*h+(1:300))=0;%消隐部分
sV(1280*h+(220:265))=0.12;%色同步选通
sV(1280*h+(301:1280))=tvV(h*980+(-1:978));%图像信号部分
% 色差U
sU(1280*h+(1:300))=0;
sU(1280*h+(301:1280))=tvU(h*980+(-1:978));
end
t=0:0.5e-7:0.5e-7*(length(s)-1);%计算时间点序列，采样率20Mhz
F_v=sV.*cos(2*pi*f_c.*t);%色差信号正交调制
F_u=sU.*sin(2*pi*f_c.*t);
c=F_v+F_u; % 调制输出的色差信号
TVsignal=s+c; % 合成彩色电视信号
figure(2); plot(t,TVsignal); xlabel('(时间)'); title('彩色电视信号');% 彩色电视信号
figure(3); plot(t,s); xlabel('时间');title('亮度信号'); % 亮度信号
% 功率谱计算
[Pxxcc,F]=psd(c,1e5,2e7);
figure(4); plot(F,10*log10(Pxxcc),'g');hold on;% 调制后的色差信号频谱
[Pxx,F]=psd(s,1e5,2e7); % FFT长度为1e5点，故频率分辨率100Hz
figure(4);plot(F,10*log10(Pxx),'k');%亮度信号频率
xlabel('频率Hz');
ylabel('功率谱密度dB');

matlab仿真结果如下：

图一 彩条信号 图二 彩色电视信号

图三 亮度信号 图四 功率谱密度
二、 简化的彩色电视接收机仿真
2.1彩色图像的摄取与重现
根据三基色原理，一幅彩色图像可以分解为三个基色图像，在发端将一幅欲传送的彩色图像分解为三幅基色图像信号，合用一个通道传送给接收端；接收端将收到的三个基色图像信号还原成原来的彩色图像。

彩色电视的基本传送过程

彩色电视接收机简称彩色电视机，是模拟电视信号接收机。MATLAB仿真代码如下：
clear all;clc;
I=imread('colorbar.tif');% 读入彩条信号
figure(1);imshow(I);title('彩条信号');
I=double(I);
[m,n,p]=size(I);
I=-(0.75-0.125)./(255).*I+0.75; % 换算为0.125到0.75电平
R=I(:,:,1);G=I(:,:,2);B=I(:,:,3);% 三基色分离
R=reshape(R',1,m*n); % 转换为1维（红）
G=reshape(G',1,m*n); % 转换为1维（绿）
B=reshape(B',1,m*n); % 转换为1维（蓝）
Y=0.30*R+0.59*G+0.11*B;%亮度
R_Y=R-Y;%色差R0
B_Y=B-Y;%色差B0
V=0.877*R_Y; % 色差电平压缩
U=0.493*B_Y; % 色差电平压缩
f_c=283.5*15625; % 副载波频率
tvY=[interp1(Y,(1:n/980:m*n),'nearest')];% 插值:行采样980点
tvV=[interp1(V,(1:n/980:m*n),'nearest')];% 插值
tvU=[interp1(U,(1:n/980:m*n),'nearest')];% 插值

% 全电视信号产生
for h=1:(m-2)
s(1280*h+(1:102))=0.75;%消隐脉冲
s(1280*h+(103:197))=1;%行同步头
s(1280*h+(198:300))=0.75;%消隐脉冲
s(1280*h+(301:1280))=tvY(h*980+(-1:978));%图像一行像素—亮度% 色差V
sV(1280*h+(1:300))=0; % 消隐部分
sV(1280*h+(220:265))=0.12;% 色同步选通
sV(1280*h+(301:1280))=tvV(h*980+(-1:978));% 图像信号部分
% 色差U
sU(1280*h+(1:300))=0;
sU(1280*h+(301:1280))=tvU(h*980+(-1:978));
end
t=0:0.5e-7:0.5e-7*(length(s)-1);% 计算时间点序列，采样率20MHz
F_v=sV.*cos(2*pi*f_c.*t); % 色差信号正交调制
F_u=sU.*sin(2*pi*f_c.*t);
c=F_v+F_u; % 调制输出的色差信号
TVsignal=s+c; % 合成彩色电视信号
%---帶限高斯信道---
TVsignal=TVsignal+0.1*randn(size(TVsignal)); % 加入噪声
[b,a]=butter(2,5e6/(20e6/2)); % 传输信道带宽5MHz
TVsignal=filter(b,a,TVsignal); % 通过带限信道
%---接收部分---
[b,a]=butter(2,0.5e6/(20e6/2)); % 行同步滤波
h_pulse=filter(b,a,TVsignal);
h_pulse=h_pulse>0.87; % 行同步脉冲选出。门限0.87
c_gate=[zeros(1,100),h_pulse(1:length(h_pulse)-100)];% 延迟100点，选通色同步脉冲
syn=zeros(size(TVsignal));% 色差信号载波存储空间
syn=c_gate.*TVsignal; % 色同步信号选出
[b,a]=butter(2,[f_c-1000,f_c+1000]/(20e6/2));
syn=filter(b,a,syn); % 副载波滤波恢复
sync=hilbert(syn, length(syn))/max(syn); % 正交副载波份量恢复
rV=2*TVsignal.*real(sync);
rU=2*TVsignal.*imag(sync);% 相干解调
[b,a]=butter(2,1e6./(20e6/2));
rV=filter(b,a,rV);
rU=filter(b,a,rU); % 色差信号解调低通1MHz
rc=rV+rU;
[b,a]=butter(3,3e6./(20e6/2));
rY=filter(b,a,TVsignal); % 亮度信号低通3MHz
rR=rV/0.877+rY; % 彩色解碼
rB=rU/0.493+rY;
rG=rY/0.59-(0.3/0.59)*rR-(0.11/0.59)*rB;
for h=1:(m-2)
rRimg(h*980+(0:979))=rR(1280*h+(301:1280));% 行图像信号选出
rGimg(h*980+(0:979))=rG(1280*h+(301:1280));% 行图像信号选出
rBimg(h*980+(0:979))=rB(1280*h+(301:1280));% 行图像信号选出
end
rRimg=[interp1([rRimg,0],(1:980/n:m*980))];% 插值,恢复原图分辨率
rGimg=[interp1([rGimg,0],(1:980/n:m*980))];% 插值
rBimg=[interp1([rBimg,0],(1:980/n:m*980))];% 插值
rI(:,:,1)=(reshape([rRimg],n,m))'; % 组合为3维数组并显示图像
rI(:,:,2)=(reshape([rGimg],n,m))';
rI(:,:,3)=(reshape([rBimg],n,m))';
figure(2); plot(t,TVsignal); xlabel('(时间)'); title('彩色电视信号');% 彩色电视信号
figure(3); plot(t,rY); xlabel('时间');title('亮度信号'); % 亮度信号
% 功率谱计算
[Pxxcc,F]=psd(rc,1e5,2e7);
figure(4); plot(F,10*log10(Pxxcc),'g');hold on;% 调制后的色差信号频谱
[Pxx,F]=psd(rY,1e5,2e7); % FFT长度为1e5点，故频率分辨率100Hz
figure(4);plot(F,10*log10(Pxx),'k');%亮度信号频率
xlabel('频率Hz');
ylabel('功率谱密度dB');
figure(5); imshow(uint8(255-(rI-0.125)./(0.75-0.125)*255));axis off

仿真结果如下：

图一 发送彩条信号 图二 接收彩色电视信号

图三 接收亮度信号 图四 接收功率谱密度

图五 接收彩条信号
三、 发送彩条信号时的仿真电视接收机输出结果对比图MATLAB-GUIDE的设计

效果图如下：

四、 Simulink彩色全电视信号的编码
4.1彩色全电视信号的构成
由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合同步信号、复合消隐信号混合在一起就构成彩色全电视信号。

图一 （R G B Y）信号波形图

图二 （R-Y V B-Y U ）信号波形图

图三 （U Fu V Fv）波形图

图四 （F，Fb，F+A，S，FBAS）波形图
五、 课程设计小结
本次课程设计对彩色电视机编码关键的参数有了一个直观认识，但是没有深入进去，只是对编码的一个简化，仿真中是有一定的缺陷的。之前的一个学期有在学习matlab的基本知识，初期也就是了解一下基本函数的编写，然后继续了解simulink里面的模块，加法器，乘法器，示波器等一些列模块的组合，可以做出来一些基本的模拟。在这次课中也还是有以些地方不太理解，比如消隐信号是如何加入亮度信号、UY信号的。由于自身水平有限，消隐信号的加入是通过对加入的信号的前部分的破坏加入的。课程设计的时间有限，能多学习一点东西就多学习一点，能积累一点对以后稍微有点帮助就多积累一点，本人对这次课程设计的成果是比较满意的。
六、参考文献
[1] 张贤明. MATLAB语言及应用案例. 南京：东南大学出版社2010.09 .
[2] 邵玉斌. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例分析. 北京：清华大学出版社，2014.2.