第1節 NTSC概述

世界上第一種彩色電視制式是在美國開發的。美國聯邦通信委員會（Federal CommunicationsCommission，FCC）于1953年12月17日批準了這一傳輸標準，并批準從1954年1月23日開始廣播。在開發彩色電視傳輸標準的過程中，美國國家電視制式委員會（National Television SystemCommittee，NTSC）所做的大部分工作就是使之與（當時的）525行、60場/秒、2∶1隔行黑白電視標準兼容。

8.1.1 亮度信息
黑白亮度（Y）信號由gamma校正后的紅綠藍（R'G'B'）信號表示：
Y＝0.299R'＋0.587G'＋0.114B'

由于伴音副載波位于4.5MHz，所以要求彩色信號位于和黑白視頻信號相同的帶寬（0~4.2MHz）之內。

基于經濟上的考慮，NTSC還有另外一個要求，即黑白電視接收機必須能顯示彩色電視廣播的黑白部分，而彩色電視接收機也必須能顯示黑白電視廣播。

8.1.2 彩色信息
眼睛對亮度的空間和時間變化最為敏感；所以仍然允許亮度信息覆蓋全部的可用帶寬（0~4.2MHz） 。彩色信息由色調和飽和度信息表示，眼睛對彩色信息沒有亮度信息那么敏感，所以彩色信息需要較少的帶寬。

色調和飽和度信息使用3.58MHz副載波傳送、編碼，以便接收機能夠分離出色調、飽和度和亮度信息，并將它們轉換回RGB信號來顯示。盡管這樣允許在和黑白電視信號相同的帶寬內傳送彩色信號，但是由于它們占用相同的頻譜空間，所以如何經濟地分離彩色信息和亮度信息這一難題仍然存在。

為了傳送彩色信息，我們使用了“色差”信號U和V或者I和Q：
R'－Y＝0.701R'－0.587G'－0.114B'
B'－Y＝-0.299R'－0.587G'＋0.886B'
U＝0.492(B'－Y)
V＝0.877(R'－Y)
I＝0.596R'－0.275G'－0.321B'
＝Vcos33?－Usin33?
＝0.736(R'－Y)－0.268(B'－Y)
Q＝0.212R'－0.523G'＋0.311B'
＝Vsin33?＋Ucos33?
＝0.478(R'－Y)＋0.413(B'－Y)

為了避免傳輸過程中的過調制，在由（B'－Y）和（R'－Y）導出U和V的過程中使用了壓縮系數。如果使用滿量程的（B'－Y）和（R'－Y） ，那么調制后的色度信號電平將超出黑白電視發射機所支持的電平。實驗證明，調制后的副載波幅度不超出Y信號幅度的20%（黑色電平以下，白色電平以上）是允許的。選擇使用一個壓縮系數，從而可以使75%彩條信號的最大電平位于白色電平位置上。

最初選擇使用的是I和Q，這是因為它們相對于U和V，與色敏銳度的變化更為緊密。隨著所觀察物體尺寸的減小，人眼對彩色的感知也逐漸減小。小物體（覆蓋的頻率范圍為1.3~2.0MHz） ，人們對它的彩色感知度很低。中等大小的物體（覆蓋的頻率范圍為0.6~1.3MHz） ，如果沿著橙－青色軸再生，那么還是可以接受的。更大的物體（覆蓋的頻率范圍為0~0.6MHz）就需要再生全部三種顏色。

據此選擇使用了I和Q帶寬，并且通過旋轉U和V色軸33?得到首選的彩色再生色軸。表示綠－紫色軸的Q分量，帶寬限制在大約0.6MHz以內。代表橙－青色軸的I分量，帶寬限制在大約1.3MHz以內。

將I和Q帶寬分別限制在1.3MHz和0.6MHz以內的另一個優點，就是當對復合視頻信號進行4.2MHz低通濾波產生不對稱邊帶時，有利于減小這種不對稱邊帶所產生的串擾。Q是一個雙邊帶信號；而I則是不對稱邊帶信號，這將有可能在I和Q之間產生串擾。Q為對稱邊帶信號，所以不會對I產生串擾；因為Q信號帶寬限制在0.6MHz以內，所以I串擾落在Q帶寬之外。

現在，通常使用帶寬為1.3MHz的U和V信號，而不太使用I和Q信號。在廣播過程中，0.6MHz以上的UV會產生串擾，然而，由于消費設備的NTSC解碼器使用的是有限UV帶寬，這種串擾通常是看不見的。

圖8-1示范了UV和IQ信號的矢量圖。

8.1.3 彩色調制
I和Q（或者U和V）使用兩個相位正交的平衡調制器來調制3.58MHz的彩色副載波：其中一個調制器由正弦相位的副載波驅動，另一個調制器由余弦相位的副載波驅動。兩個調制器的輸出
疊加在一起形成色度調制信號：
C＝Q sin (ωt＋33?)＋I cos (ωt＋33?)
ω＝2πFSC
FSC＝3.579545 MHz(±10Hz)

如果使用U和V取代I和Q，那么：
C＝U sin ωt +V cos ωt
與副載波相關的色度相位攜帶著色調信息。色度幅度攜帶的是飽和度信息。另外，如果物體沒有顏色（例如白色、灰色或者黑色物體） ，那么副載波將被抑制。

8.1.4 復合視頻的生成
調制色度信息加上亮度信息以及合適的水平和場同步信號、消隱信息以及色同步信號信息就生成復合彩色視頻波形，如圖8-2所示。

復合NTSC＝Y＋Qsin (ωt＋33?)＋Icos (ωt＋33?)＋時序
如果使用U和V取代I和Q，那么：
復合NTSC＝Y＋Usin ωt＋Vcos ωt＋時序
所生成的復合視頻信號的帶寬如圖8-3所示。

只要在編碼和解碼處理過程中保持合適的彩色副載波相位關系，I和Q（或者U和V）信息就可以無失真地進行傳送。在大多數水平同步脈沖之后，通常跟隨一個色同步信號，色同步信號在一個特定的相位上包含副載波頻率的9個周期，色同步信號為解碼器提供參考信號，從而使解碼器能夠正確地恢復I和Q（或者U和V）信號。如圖8-1中所示，色同步相位在－U色軸上定義。

8.1.5 彩色副載波頻率
彩色副載波頻率的選擇受幾個因素的制約。 首先需要提供水平隔行掃描減小副載波的可視度，這就要求副載波頻率FSC是1/2行頻的奇數倍。第二個因素就是選擇一個足夠高的頻率，生成一個可視度低的頻譜交錯模式。第三，允許0.6MHz帶寬以下的I和Q（或者U和V）的雙邊帶。

選定的副載波頻率為：
FH＝(4.5×106
/286) Hz＝15 734.27 Hz
FV＝FH/(525/2)＝59.94 Hz
FSC＝((13×7×5)/2)×FH＝(455/2)×FH
＝3.579545 MHz

所生成的FV（場）和FH（水平）掃描頻率和黑白電視標準稍微有一點不同，但是位于容忍的范圍之內，所以還是可以接受的。圖8-4描繪了所得到的頻譜交錯圖。

亮度信號（Y）分量根據水平消隱處理過程進行調制，結果生成了間隔為FH的一束束的亮度信息。這些信號進一步被場消隱處理調制，使得亮度信號分量頻率發生在NFH±MFV。N的最大值大約是277，將亮度信號限制在4.2MHz帶寬以內。因此，亮度信息被限制在行頻（FH）整數倍諧波范圍區域內，每組諧波范圍內都有距NFH29.97Hz水平幀頻的附加頻譜線。

兩組亮度頻譜之間、頻率處在1/2行頻奇數倍處的頻譜能量最小，所以用來傳送色度信息。由于彩色副載波的諧頻是（1/2）FH的奇數倍，所以它們之間相距FH，它和亮度信號有1/2行頻的偏置，結果形成了一種上移的頻譜交錯模式。重復一個特定的采樣點位置需要4個完整的場，如圖8-5所示。

8.1.6 NTSC標準
圖8-6示范了幾種常用的NTSC制式表示方法。字母M代表水平頻和場頻分別為525和59.94的黑白電視標準，它的視頻帶寬為4.2MHz，音頻載波頻率位于視頻載波頻率以上4.5MHz處，RF頻道帶寬為6MHz。NTSC指的是將彩色信息加入到黑白信號中的一種技術。表8-9中提供了詳細的時序參數。

多標準的模擬VCR通常使用NTSC 4.43。水平和場的時序和（M）NTSC一致；彩色編碼使用PAL調制格式，彩色副載波頻率為4.43361875MHz。

NTSC-J用于日本，除了在有效視頻區間內沒有消隱基底電平以外，其他和（M）NTSC一致。因此，有效視頻的標稱幅度值為714mV。

逐行NTSC是一種262行、幀頻為60幀/秒的NTSC，如圖8-7所示。除了每幀有262行以外，這種格式和標準的（M）NTSC完全一致。

8.1.7 RF調制
圖8-8、圖8-9和圖8-10描述了基帶（M）NTSC復合視頻轉化為RF（Radio Frequency，射頻）信號的基本處理過程。

圖8-8a示范了基帶復合視頻信號的頻譜，它和圖8-3類似。然而，圖8-3出于簡單考慮，只示范了上邊帶。0MHz位置處的“視頻載波”記號只是作為一個與圖8-8 b 進行比較的參考點。

圖8-8b示范了位于一個6MHz通道（例如3頻道）內的音頻/視頻信號。視頻信號通過低通濾波，濾去大部分下邊帶，再加入音頻信息。

圖8-8c詳細描述了針對立體聲（BTSC）運算的音頻副載波攜帶的信息。

如圖8-9和圖8-10所示，模擬視頻信號的后肩鉗位（back porch clamping） （參見術語表）保證了后肩電平為常數，而與平均圖像電平的變化無關。視頻信號的白峰限幅（white clipping）防止調制信號低于10%；低于10%可能導致過調制，在電視接收機上產生蜂音。視頻信號然后通過4.2MHz的低通濾波器濾波，隨后驅動AM（amplitude modulation，幅度調制）視頻調制器。同步電平對應于100%調制，消隱電平對應于75%調制，而白色電平對應于10%調制。 （M）NTSC制式為視頻使用的IF（intermediate frequency，中頻）為45.75MHz。

在這點上，音頻信息疊加在副載波41.25MHz處。如圖8-9所示，單聲道音頻信號被處理后去驅動FM（Frequency Modulation，頻率調制）調制器，然后將FM調制器的輸出疊加到IF視頻信號中。

作為殘留邊帶濾波器，SAW濾波器濾波IF信號。混頻器（或者增頻變頻器）將IF信號和期望的廣播頻率混合起來。混頻過程中將產生和頻與差頻，因此使用一個帶通濾波器將差頻信號抽取出來。

立體聲音頻（模擬）

• BTSC
  該標準由EIA TVSB5定義，被公認為BTSC（Broadcast Television Systems Committee，廣播電視制式委員會）制式標準，如圖8-10所示。使用這種制式的國家包括美國、加拿大、墨西哥和巴西等。
  為了使能立體聲系統，L－R信息使用一個受抑制的AM副載波傳送。有可能存在一個SAP（Secondary Audio Program，輔助音頻節目）通道，用來傳送一種輔助語言或視頻描述（為視覺受損者提供的描述性音頻） 。也可能存在一個專業通道，允許與遠程設備和人進行交流。
• Zweiton M
  這個標準（ITU-R BS.707） ，通常也叫作A2 M，和PAL制式中使用的標準類似。L＋R信息通過FM傳送，副載波頻率為4.5MHz。L－R信息，或者輔助L＋R音頻信號，也是通過FM傳送的，但它的副載波為4.724 212MHz。
  若立體聲信號或雙路單聲道信號存在，那么頻率為4.724 212MHz的FM副載波要再經過55.069 9kHz副載波的幅度調制。這一55.069 9kHz副載波或者在149.9Hz處使用50%幅度調制表示立體聲音頻，或者在276.0Hz處使用50%幅度調制表示雙路單聲道音頻。
  這一制式在韓國使用。
• EIA-J
  這一標準與BTSC相似，日本使用這種標準。L＋R信息通過FM傳送，副載波頻率為4.5MHz。L－R信號，或者輔助L＋R音頻信號，也是通過FM傳送，但它的副載波為＋2FH。
  若立體聲信號或雙路單聲道信號存在，那么＋3.5FH的副載波或者使用982.5Hz的副載波幅度調制（立體聲音頻） ，或者使用922.5Hz的副載波幅度調制（雙路單聲道音頻） 。

8.1.8 模擬頻道分配
表8-1到表8-4列舉了各種NTSC制式的VHF、UHF和有線電視的典型頻道分配情況。

值得一提的是，有線電視系統通常會重新分配頻道號來改變頻率以將干擾最小化，并且提供不同級別的節目內容（例如一般節目和預付費電影頻道） 。

8.1.9 亮度方程推導
由RGB生成亮度的方程由接收機所使用的三基色的色度和真正的白光源決定。

RGB三基色的色度和基準白光（CIE照明C）由1953 NTSC標準指定：
R：xr＝0.67 yr＝0.33 zr＝0.00
G：xg＝0.21 yg＝0.71 zg＝0.08
B：xb＝0.14 yb＝0.08 zb＝0.78
白色：xw＝0.3101 yw＝0.3162 zw＝0.3737
其中x和y由CIE 1931色度坐標指定，而z由x＋y＋z＝1計算。

亮度由RGB的加權和計算，權重代表生成基準白光的亮度時RGB三基色的實際貢獻。我們可以通過求解下面的方程式得出生成基準白光的RGB的線性組合：

對上述方程式重新排列以求解Kr、Kg和Kb：

將已知數據代入上式，得出Kr、Kg和Kb：

Y定義為：
Y＝(Kryr)R'＋(Kgyg)G'＋(Kbyb)B'＝(0.906)(0.33)R'＋(0.827)(0.71)G'＋(1.430)(0.08)B'
或者：
Y＝0.299R'＋0.587G'＋0.114B'

現代的接收機使用一組不同的RGB磷光粉，從而使產生的RGB三基色的色度和基準白光（CIE照明D65）稍微有所不同：
R：xr＝0.630 yr＝0.340 zr＝0.030
G：xg＝0.310 yg＝0.595 zg＝0.095
B：xb＝0.155 yb＝0.070 zb＝0.775
白色：xw＝0.3127 yw＝0.3290 zw＝0.3583
其中x和y由CIE 1931色度坐標指定；而z由x＋y＋z＝1計算。將已知數據代入后，可以得到Kr、Kg和Kb：

因為Y定義為：
Y＝(Kryr)R'＋(Kgyg)G'＋(Kbyb)B'＝(0.6243)(0.340)R'＋(1.1770)(0.595)G'＋(1.2362)(0.070)B'

所以結果為：
Y＝0.212R'＋0.700G'＋0.086B'
但是，仍然可以使用標準的Y＝0.299R'＋0.587G'＋0.114B'方程式。為了減少色彩誤差，需要對接收機進行調整。