梳型濾波器之三:彩色及黑白訊號在電視畫面上的構成－歐吉桑的旅遊筆記

上文已論及為要建立黑白與彩色的兩立性,所以彩色電視訊號系統與原使用之黑白電視系統除了聲音訊號不變外,水平及垂直訊號皆作了0.1%的修正.當然此0.1%的頻率的修正並不影響到原黑白電視機的正常工作,因原黑白電視機的水平及垂直同步範圍甚廣,故0.1%的同步頻率的誤差對其工作沒有影響.

但彩色訊號有紅; 綠;藍(R;G;B)三原色,而黑白只有一原色,那如何建立其兩立性?

彼遂把紅;綠;藍各取一部份(0.3R+0.59G+0.11B)成為Y訊號,因該訊號含有三原色的部份,故具有如黑白電視的黑白訊號一樣的亮度與對比特質.故以此Y訊號為黑白電視與彩色電視所共用的黑白訊號.而彩色訊號呢?彩色訊號會干擾到原黑白電視的收訊麼?

大家均知要還原三個未知數(R;G;B)至少需三個方程式;已經有了Y(Y=0.3R+0.59G+0.11B),那其餘兩個呢?最後決定用B-Y(-0.3R-0.59G+0.89B),及R-Y(0.7R-0.59G-0.11B)為彩色訊號的兩向量,並將此二訊號作直角調變插入黑白訊號中.當然此訊號原義為只讓彩色電視有作用;但黑白電視同樣也會收到該訊號啊,只要有訊號則一定會在螢幕上構成亮暗之點,那如何避免此彩色訊號在黑白電視上構成不必要的亮暗之點(也可以説是干擾)呢?答案即在前文所論到的彩色副載波.....

要將B-Y及R-Y此兩彩色向量作直角調變必須使用載波,此載波稱為彩色副載波.為使調變後的彩色訊號不致影響到原黑白訊號,故將彩色副載波的頻率設計為水平頻率的455/2倍(即227.5倍=3.579545MHz),所以調變後的彩色訊號也像前文的聲音訊號一樣:不管其原始頻率為多少,全部轉換成以3.579545MHz為中心的訊號了,下表(表四)即說明該訊號在水平掃描線上所造成對畫面的影響.

一個訊號的周期共有360度,運行時先由起始點0度開始,再到90度之最高點(1/4周期),再回到中點180度位置(1/2周期),再到最低點270度(3/4周期),最後回到原點360度(即1周期完成;此時本周期360度即成下一個周期的0度),因彩色副載波共有227.5個水平周期,故如表四在第一條水平線上共運行了227個完整的周期,但接下來第228周期只運行了半個周期(180度)而第一條掃瞄線即截止而接上第二條掃描線,故第228周期的下半個周期(180度至360度)只好接上第二條水平線了.而第二個水平周期也同樣可容納227.5個彩色訊號,故其接納了第228的下半個周期後接下來再容納了227個完整的彩色訊號周期,一直到第455完整的周期運行完畢;因第二條掃瞄線最後運行了完整的第455周期,故接下來的第三條水平掃瞄線就接續著彩色訊號的第456周期的開始點(0度),如此彩色訊號在第三條水平線上的運行就與第一條完全相同了,因此若繼續推演下去,吾人就會發現一個結論:彩色訊號(或任何其他頻率為水頻頻率n+1/2倍的訊號)在水平掃瞄線上會構成(1)所有奇數水平掃瞄線上的訊號其相位完全相同;所有偶數水平掃瞄線也是如此.(2)奇數水平掃瞄線與偶數掃瞄線彼此向位完全相反(相差180度),如表四所列.

朋友們須需注意:如果兩訊號之向位完全相反,且其位階(Level)一樣的話,吾人可說這兩個訊號彼此的關係是:彼此成為對方的負(-)值,即此二訊號互補.小弟先在此提出此一關觀念,因未來說明2D,3D Comb Filter時需使用到此數學式及此觀念.

上表是描述訊號的波形,接下來我們來看實際上該訊號波形對螢幕上的畫面會有甚麼影響?

如果一個影像訊號是水平頻率的n倍,我們如果作如上表四的推演:因為訊號是水平頻率的n倍,故訊號會在每一條掃瞄線上運行完整的n個周期,因此每一條掃瞄線上的訊號就完全相同(如下表五之圖三).如果我們把訊號的位階(Level)與該訊號在螢幕上的呈像兩極化(即0以上全部是亮的;0以下全部是暗的),則其呈像就如圖三所示.

圖三所示是一個完整的圖框(Frame),水平掃瞄線先掃完1至262條的第一圖場(Field)掃瞄線後接下來再到其剛掃瞄完成的所有掃瞄線的中間掃瞄第二圖場263至525條掃瞄線(前文曾說明此為間歇性interlace掃瞄的精神,沒忘記吧?).因為每條掃瞄線上訊號相位都相同,故該訊號在螢幕上的呈像每條掃瞄線位置均相同,如圖三所示.

但如果輸入訊號為水平頻率的n+1/2倍呢?那所有奇數線和所有偶數線的相位就如上表四所推演的:相位完全相反,因此該訊號在螢幕上的呈像就如下表五的圖四所示了.
分析上表五的呈像圖三,我們會發現原來Line 1只是呈現一些點,但接下來的Line 2因顯示相同圖像在同樣位置(但在Line 1的略下方)故可說是把該點加強了,接下來的Line 3可說更加強了該顯像,如此累積下去最後連接成一清晰的直線.我們可以說每條掃瞄線對其相鄰的掃瞄線(甚至可說是對全部掃瞄線)都有加強的作用.

再來分析圖四,我們會發現剛好相反:每個奇數線的亮點於偶數線同樣位置就變成暗點,反之亦然.因此奇數線剛呈現出來的像點馬上就被接下來呈像相反的偶數線所中和掉了.所以彼此相鄰的掃瞄線呈像不但沒有加強,反而互相抵消.圖四是我們為便於分析故自行畫上去的,每條掃瞄線都有相當的距離,故呈像呈交叉的網狀;但實際在螢幕上每條掃瞄線的距離是非常接近的,故以正常的收看距離,所有圖四所呈現的交叉網狀圖像其實都被彼此掃瞄線相互中和掉了,人眼幾乎無法發現它的存在.這也就是彩色副載波使用水平頻率的227.5倍,而該訊號在作黑白接收時,幾乎無法在螢幕上呈像,而不致干擾到黑白電視的正常收看,而能完成黑白與彩色兩立性的原因.

就如以上分析:我們發現訊號頻率如果愈接近水平的整數倍,則彼此掃瞄線就有彼此加強使圖像更清晰的作用,相反的如果訊號頻率愈接近水平的n+1/2倍,則彼此掃瞄線不但不加強反而互相抵消.因此同樣的原因我們將一個電視攝影機所拍攝的一個畫面訊號放在頻譜分析儀上分析其頻譜,同樣會發現構成畫面最清晰的頻率為水平整數倍的訊號其能量最強,相反的幾乎無法呈像的頻率為水平的n+1/2倍的訊號其能量也幾乎為零.如下表六之圖五所示:

也因為頻譜是分部的如此稀疏,所以能將彩色訊號插入其空隙處,最後黑白與彩色訊號共用整個頻譜,如圖六所示.因為整個頻譜顯示所有的能量都集中在水平頻率的n倍及n+1/2倍處呈現各個尖峰,有如一把梳子(Comb),故梳型從而得名.而要將頻譜中的黑白訊號與彩色訊號(圖六中的紅色頻譜與綠色頻譜)分離開來就稱為梳型濾波器了.但觀察圖六會發現紅色(黑白訊號)與綠色(彩色訊號)中間還是有重疊的部份,此部份就是前文所稱目前之技術尚無法將該兩訊號分離乾淨的原因.所以以目前的技術即使使用最進步的梳型濾波器,其畫質還是遠不及彼此完全獨立的色差(Y;Pb;Pr)訊號了.