彩色电视系统的建模仿真课程设计

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1、 1 一 设计题目：彩色电视系统的建模仿真 二 设计目的： 电视技术是 20 世纪先进的电子科学技术的一项重大成果。作为以昂贵的电子设备为载体的大众传播媒介， 电视技术的发展速度在很大程度上取决于国家的工业化水平和社会的经济状况。 其中彩色接收系统是电视的关键部分。接收系统的好坏，对所接收图像的恢复，是决定电视质量的决定因素。 此次设计的彩色电视的接收系统不仅实现了彩色图像的接收， 而且较之其他接收系统对图像有更高的保真度，可以用 MATLAB 软件方便地实现模拟和仿真， 同时大大简化设计过程。 本次设计学习通过计算机建立通信系统仿真模型的基本方法和基本技能， 学会用仿真的手段对实时通信系统的

2、基本理论、 基本方法进行验证。 此次设计的彩色电视的接收系统不仅实现了彩色图像的接收， 而且较之其他接收系统对图像有更高的保真度， 可以用 MATLAB 软件方便地实现模拟和仿真，同时大大简化设计过程。 三 设计要求： 1. 根据此题目建立相应的数学模型 2. 在根据电视原理的编码、 解码器原理， 把每个功能用 MATLAB程序构建模型。 3. 将编码器、解码器组成一个完整的仿真台，通过对 MATLAB 的理解和应用，使仿真平台具有强大的仿真能力。 4. 电视系统各个主要阶段电视波形的动态仿真，并进行分析 2 比较。 5. 静态图像的电视波形以及图像显示的研究。 四. 开发环境及介绍 1. 开

3、发环境：MATLAB R2010B 2. 软件介绍： （1）本课题是通过 MATLAB 编写.m 文件仿真实现 PAL 制彩色电视的解调过程并利用 GUI 图像实现静态画面的还原。MATLAB 是 Mathworks 公司于 1982 年推出的一套高性能数值计算和可视化数学软件，被称为“巨人上的工具” 。 （2）SIMULINK 是 MATLAB 软件的扩展，它是实现动 态系统的仿真的一个软件包，它的模块库包含了许多实现 不同功能的模块，使得研究者可以方便的构建功能清晰、 结构合理的仿真系统。 （3）MATLAB 语言是当今国际上科学界（尤其是自动领 域）具有影响力、也有火力点的软件。具有用法

4、简易、程 式结构又兼具延展性的特点。 五设计内容 设计思路： 在彩色电视系统的建模仿真中，仿真采样频率设置为 20MHz。接受信号幅度稳定，且其中直流分量也得到保持， 因此可通过门限判决恢复行同步脉冲： 门限可将相对电平设置为 3 0.80.9 左右，再将恢复的行同步脉冲延迟 5 微秒作为色同步的选通脉冲，把间断的副载波选出来，然后通过谐振在 4.43MHz 上的窄带带通滤波器恢复连续的副载波， 并通过希尔变换正交载波分量。 正交解调后的低通滤波器截止频率设置为 1MHz， 亮度通道的低通滤波器截止频率设置为 3MHZ。最后进行彩色解码，恢复三基色信号，以插值还原传输图像每行的像素数，并显示出

5、结果图像来 本设计按照先进行电视扫描了原理的方针，包含了 8 级灰度条图像的产生、显示和保存，及电视隔行扫描原理的防真；然后进行彩色电视信号的构成和频谱防真， 其包含了彩色图像的表示， 彩色全电信号的基本构成； 最后在进行简化的彩色电视接收机的仿真。 在此设计中设计思路按照由部分到整体设计思想，使要表达的设计简洁明了。具体如下： 5.7.1 电视扫描原理仿真 原理：在数学上，图像可以用矩阵表示出来，矩阵中的元素表示图像的一个点， 称为像素， 图像的总体像素等于矩阵中元素的个数。对于灰度图像，矩阵元素的值等于对应像素的亮度值。通常规定的亮度取值范围为 0255 之间，用 256 级灰度，0 表示

6、最暗，255 表示最亮，这样，一个像素就可以用 8bit 表达。 1. 8 级灰度条图像的产生、显示和保存。试产生一个 40*64 像素的 8级灰度条图像，显示出来并保存为 tif 格式。 在此例中，用 matlab 实现，函数 imread 来读取图像文件，imshow将读取的图像矩阵显示到作图窗口，而 inwrite 可将图像矩阵保存为 4 制定格式的图像文件。为了节省内存，这三个函数图象用 8bit 无符号整形数（uint8）数据类型来表示。 其程序如.m 文件 example10 程序执行后形成的图像（截图）为 8 级灰条图 3. 电视隔行扫描原理仿真。 原理：在电子显像管上，水平扫描

7、电压和垂直扫描打压控制显像管电子枪发出的电子束轰击到显示屏的位置，而电子枪电压则控制电子束轰击荧光粉的速度，从而控制荧光粉发光发亮度。电子束从做左到右，从上到下周期的逐次快次扫描利用荧光粉发光的暂时记忆效应形成为图像。 其程序如.m 文件 example11 程序执行后将动画显示隔行扫描过程，如图： 5 隔行扫描的过程仿真：奇数行扫描完成后，正在进行偶数行扫描 5.7.2 彩色电视信号的构成和频谱仿真 1.彩色图像的表示：(1) 三基色的混合实验 原理：对于彩色图像，最常见的是 RGB(三基色)的表示格式，一个像素由红（R）,绿（G） ，蓝（B）3 种颜色分量组合而成。彩色电视要传送的是亮度不

8、同、色调和色饱和度千差万别的彩色信息，有了三基色原理，我们只需要将要传送的颜色分解为三基色(红、绿、蓝)，然后再分别以对应的一种电信号进行传送就可以了。为了与黑白电视系统兼容，实际传送的是亮度和色差（表示色度）信号相应地，表示像素的矩阵元素就是一个 3 组成的向量（R,G,B）.首先我们先知道三基色的图形： 其程序如.m 文件 example12 程序执行结果如下截图 6 三基色的混合结果 (2).试产生一副彩条图像。彩条颜色依次为：白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑。 分析： 本例的实现方法类似于前 5.7.1 的 1 和 5.7.2 的 1.在彩色电视广播中， 为了兼容黑白电视信号传输模式，

9、不能直接将三基色矩阵作为3 路信号传送，而需要将三基色信号（R,G,B）转化为亮度信号 Y 和两个色差信号 R0 和 B0 转化方程为 Y=0.30R+0.59G+0.11B R0=R-Y B0=B-Y 在接收端， 又将解调得出的亮度信号 Y 和两个色差信号 R0 和 B0 回复为三基色信号（R,G,B）,最后送入彩色显像管的 R,G,B3 个电子枪。求解一上转化方程可得出三基色恢复方程 R=Y+R0 G=Y-0.30R0/0.59-0.11B0/0.59 B=Y+B0 为了避免过调制， 实际传输时还需要对两个色差信号进行压缩， 得到压缩色差信号 V 和 U 为 V=0.877R0 U=0.4

10、93B0 程序如.m 文件 example13 对应波形得截图为 7 彩色图像的产生 1. 彩色全电视信号的基本构成 原理：彩色全电视信号波是在一个扫描中，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。如下图： 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叠加。由于电视图像信号是以行（64us）为周期的近似周期信号，在频谱上，其信号能量集中在以行频率（fH=15625HZ）为间隔的谱线附近。这样若选正交平衡调制载波频率为fc=（n+0.5） 8 fH，n 为整数，则色差信号经过平衡调制后输出的信号频谱线刚好插在亮度信号的频谱线间隙的

11、中间，称为半行频间置，这样就能避免互相干扰。 （1） 。忽略场同步脉冲，试产生实例 5.7.2（2）中彩色条图像的彩色全电视信号，并得出其波形图和频谱图。 建模分析和仿真参数计算：设仿真采样率为 20MHZ，最高频率为 10MHZ,一行的图像传递时间为 49us， 则对应点数为 980 消隐脉冲时长为 15us 用 300 个采样点数表示，其中设第103197 点表示 4.7us 的行同步脉冲头，第 220265 点表示色同步载波，其余的为消隐脉冲。色同步载波设为 C(t)=0.12cos2pifct 同时还要注意把图像矩阵中的像素取值范围（0255）转换为视频信号规定表示范围（0.1250.

12、75）以及进行相应的数据类型转换。 其程序为.m 文件 example14 其生成的图像为： 彩色全电视信号的仿真波形 9 亮度电视信号仿真波形 彩色全电视信号的功率频谱估计仿真结果 5.7.3 简化的彩色电视接收仿真 原理：将彩色电视接收机中关键部分进行仿真，包括行同步检测，色彩同步检测和色副载波恢复、色差信号相干解调、彩色信号解码等。在仿真模型中采用的是采用的是逐行扫描方式，并仅对一帧图像进行仿真传输。 （1）对经过带限高斯噪声信道后的 5.7.2.3（1）产生的全电 10 视信号进行解码，最后恢复传送的彩色图像。 原理：仿真采样率仍然设计 20MHZ，并设带限高斯信道是无衰减的，带宽为

13、5MHZ，噪声参数为方差，可修改程序调整信号中噪声的大小。接收信号幅度是稳定的，且其中直流分量也得到保持，因此可通过门限判决恢复同步脉冲：门限将相对电平设置为 0.80.9 左右，再将恢复的航同步脉冲延迟5us 作为色同步选通脉冲，把间断的副载波选出来，然后通过谐振在 4.43MHZ 上的窄带带通滤波器恢复连续的副载波， 并通过进行希尔伯特变换得到正交载波分量。 其程序如.m 文件 example15：程序执行后正确恢复了传输图像，但质量有所下降， 分析原因是信道中存在信道噪声干扰，且噪声干扰越大恢复的图像质量就越差。但对照其他系统所接收到的图像质量，可以看出本系统的图像接收在质量上有很大提高

14、 ， 对物体边缘化的处理更为突出。如图（a） ， （b）所示： 11 (a)发送的彩条信号图像 （b）接收恢复的彩条信号图像 结论： 本彩色电视接收系统成功实现了彩色图像的接收， 并较之其他彩色电视接收系统在图像质量恢复方面有了很大的提高， 但还存在一些不足，主要表现在以下几个方面： 1行间闪烁：所扫描方式，把一帧图像分为奇数场和偶数场扫描，虽然降低了视频带宽，简化了电路，但是一行图像出现的频率比逐行扫描降低了一半， 视觉感觉图像有行间闪烁。 行间闪烁影响图像垂直清晰度，大面积图像闪烁也容易造成视觉疲劳。 2垂直边缘锯齿化：当运动物体沿水平方向运动速度足够大时， 因隔行扫描使相邻行在时间上相差

15、一场， 结果导致运动物体垂直边缘锯齿化；运动速度越快，垂直边缘锯齿化越严重。 心得体会： 通过彩色电视系统的建模仿真课程设计，我对理论课又有了 12 一定的实践认识，就是将理论知识与具体问题相结合地认识，通过本次课程设计了，了解了彩色电视图像的编码，解码恢复原电视信号的建模，首先对图像，像素，灰度及其表示计算有一定的了解， 对 RGB，UVY 电视彩色图像概念有一定的熟悉，学习电视信号的隔行扫描，然后根据这些概念建立一幅图像，利用图像采集技术，对彩色电视信号进行采样，显示采样图形，进行频谱分析。然后对彩色电视接收机进行仿真，包括信道，接受端彩色电视是好的解码恢复。本次课程设计采用 MATLAB 仿真，编写.m 文件，显示仿真波形图像，在使用 MATLAB 过程中，遇到了很多问题，主要就是对MATLAB 的数学运算，图像显示不很了解，还有就是书上的MATLAB程序存在错误， 最后图像接受应该用到butter函数，及巴特沃斯滤波器，而不是 buffer 函数，但总体来说，程序问题不大，通过查阅资料都可以解决，同时对 MATLAB 有了更好的了解。 。