PAL制彩色全电视信号数字解码研究与实现

牟亚南　陈金鹰　杨敏　魏万迎

摘 要： 针对数字电视昂贵的收费标准以及开机繁琐等问题，提出用数字方法解决模拟视频解码后出现的亮色串扰以及色度畸变现象，利用高速FPGA硬件采集系统将模拟视频转换成数字视频流并存储，通过自适应2D梳状滤波器分离出亮度和色度信号，同时为了保证解调出的红蓝色差信号不失真，采用Costas环同步色度副载波。该方法在Matlab上仿真解码后不仅提高了图像质量，而且解决了模拟电视亮度不清晰，色度不饱和等问题，使用户观看模拟电视时临场感增强。

关键词： 自适应梳状滤波； 亮色分离； 色度解调； Costas环

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）15?0039?03

Research and implementation for digital decoding of PAL format color TV signal

MOU Yanan1， CHEN Jinying1， YANG Min1， WEI Wanying2

（1. College of Information Science and Technology， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；

2. School of Electronic Information Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China）

Abstract： Since the expensive charging standard and tedious setting up of digital TV， digital method is proposed for solving the phenomenon of luminance color crosstalk and chrominance distortion after analog video decoding. High?speed FPGA hardware acquisition system is applied to converting analog video into digital video and storing. Luminance and chrominance signals are separated by adaptive 2D comb filter. To guarantee the demodulated red and blue chromatic aberration signals against distortion， Costas loop is applied to synchronizing with chrominance subcarrier. This method improved image quality， solved the problems of blurring analog TV luminance and unsaturated chrominance. When users are watching analog TV， the telepresence is enhanced.

Keywords： adaptive comb filtering； luminance/chrominance （Y/C） separation； chrominance demodulation； Costas loop

随着数字信息化的快速发展，数字电视的普及率越来越高。但是由于经济、技术发展的不平衡以及昂贵的成本[1]，数字电视取代模拟电视还需要一个漫长的过程[2]。因此，在模拟电视的前提下，研究通过何种方法来改善模拟视频质量是非常有必要的，本文采用数字解码技术，提高解码性能，同时极大地改善了图像的质量。为了获得较清晰的视频图像，其关键在于亮色分离和色度解调后是否达到彩色图像所需的质量要求。如果亮色分离不好、色度解调不对，就会出现亮色互串、图像颜色出现偏差等现象，严重影响了图像的质量和清晰度。针对上述问题，本文介绍了PAL制数字解码技术，该方法解码后得到的图像信号不仅清晰度高，且观感效果佳。

1 数字解码模型

我国采用PAL制彩色全电视信号，首先克服了NTSC制式电视相位敏感的缺点；其次PAL采用1/4行间距再加25 Hz副载波信号，实现了亮色频谱交错并具有较好的兼容性；最后由色度频谱间置在6 MHz带宽亮度频谱间隙的特征决定采用梳状滤波器，在得到较好的亮色分离的同时，又可以将亮色互串的幅度降低3 dB，从而增强了彩色信噪比[3]。PAL制模拟电视信号为：

[PAL=Y+UsinωSCt±VcosωSCt+Timing] （1）

式中：[Y，][U，][V]分别为亮度信号和两个压缩色差信号。图1为PAL制视频数字解码系统框图，该系统包括FPGA硬件实现部分和Matlab软件实现两个部分。

彩色视频流经过模拟钳位和自动增益控制前端电路[4]得到稳定的消隐电平和增益相同的信号，再通过ADC转换为数字信号存储在FPGA寄存器中，利用串口将FPGA处理过的数字图像上传到上位机，通过Matlab仿真软件对数字图像进行同步检测和提取，利用2D自适应梳状滤波器分离出亮度和色度信号的同时采用色同步脉冲选出色同步载波，再对色度信号进行解调，最后通过RGB转换和插值恢复原图像。其中，ADC具有较高的采样速率，为了实现采样速率和串口速率的匹配，需将A/D转换的视频流存放到异步先进先出寄存器FIFO中进行缓存。对于异步FIFO的配置主要是将写时钟和A/D的采样时钟设置为一致，读时钟和串口的发送时钟一致，保证数据传输的完整性和稳定性[5]。

图1 系统设计框图

2 亮色分离

色度差信号频谱间置在亮度频谱间隙中，因此利用梳状滤波器梳齿状特性能够分离出图像信号的亮度和色度部分。目前常用两行或三行梳状滤波器进行亮色分离[6]，下面对2D?2L，2D?3L是如何实现亮色分离进行分析。

2.1 2D?2L梳状滤波器

PAL制中，亮度信号和色度信号通过频谱交错混叠在一起，并采用逐行倒相方式，则有每隔一行对应位置上的色副载波相位必然相反。假设图像相邻行内容之间有比较强的相关性，即数值相差较小，通过两行信号相加减可分离出[YC]信号。

[Y≈12（Yn+Cn）+（Yn+2-Cn+2）] （2）

[C≈12（Yn+Cn）-（Yn+2-Cn+2）] （3）

2.2 2D?3L梳状滤波器

但是不管实际图像处于动态或静止，相邻两行图像内容的差异性是不确定的。但是根据大面积着色原理可知，相邻三行图像不可能都存在差异性，定有其中两行差异性较小，此时需对2D?2L滤波器进行改进得到2D?3L梳状滤波器，再利用2H延迟分离出[YC]信号。

[Yn≈12（Yn-2+Cn-2）+（Yn+2+Cn+2）×12+（Yn-Cn）] （4）

[Cn≈12（Yn-2+Cn-2）+（Yn+2+Cn+2）×（-12）-（Yn-Cn）] （5）

对于上述两种梳状滤波器，主要是根据图像行之间的相关性分离出亮度信号。但是实际的彩色图像中，彩色细节的分辨率很高，若只对行进行处理，忽略图像垂直方向的相关性，定会造成亮度色度信号高次谐波的混叠。若要解决垂直方向变化较大的彩色图像需采用3D梳状滤波器[7]，但其算法实现起来较复杂，同时对硬件的要求较高，综合多种因素本文采用改进型2D自适应梳状滤波进行亮色分离，实现起来较容易并能够得到较清晰的亮度信号。

2.3 自适应梳状滤波器模型及分析

2D自适应梳状滤波主要通过逻辑运算来判断图像相邻三行之间的相关性[8]，改进模型如图2所示。

图2 改进型滤波框图

根据改进自适应系统框图，视频解码输入端的数据流（Y+C）经过2H延迟得到（Y-C）反相信号，一方面原数据流与反相信号相加有亮度信号[2Y1，]接着经过一个0.5倍乘法器得到[Y1，]最后有[Y′1]是通过每行点阵乘以相应的权值系数得到的；另一方面反相信号与其2H延迟后的信号相加得到[Y′2，]再通过式（6）得到[Y]：

[Y=k1×Y1+k2×Y2] （6）

若行之间的相关性很小，直接利用带通滤波器选出亮度信号。

当PAL制隔行扫描时，将逻辑相关运算器图像当前行与前后两行内容作比较，与表1作对比判断三行内容之间的相关性，提供给多路选通器（MUX），再根据权值系数动态地选择2D?2L或2D?3L梳状滤波器。表1给出了图像行信号之间相关性的判定，当[b1]与[b2]均为零时，即图像当前行与上下两行信号内容几乎相等，相关程度最高，采用2D?3L梳状滤波器能够很好地分离出亮度信号，此时令[k1=k2=0.5；]当[b1=0，][b2≠0]（或[b1≠0，][b2=0]）时，即当前行与上一行信号相关性较大，与下一行信号有较大的变化（或反之），适用于2D?2L梳状滤波器特性，可令[k1=1，k2=0][（或k1=0，k2=1）；]若[b1≠0]且[b2≠0，]即当前行与上下两行均有较大的变化，图像的相关性差，此时采用逆相关运算。

表1 信号逻辑运算器

[＼&[b1=0]＼&[b1=0]＼&[b1≠0]＼&[b1≠0]＼&＼&[b2=0]＼&[b2≠0]＼&[b2=0]＼&[b2≠0]＼&[k1]＼&0.5＼&1＼&0＼&[b2（b1+b2）]＼&[k2]＼&0.5＼&0＼&1＼&[b1（b1+b2）]＼&]

3 色度解调

自适应梳状滤波器分离出色度信号后，利用色同步信号解调两个压缩色差信号。只有当解调出的色同步载波与发送端的基准载波同频同相时，才能保证接收端彩色图像颜色不失真。本文采用Costas锁相环恢复色度副载波[9]，原理框图如图3所示。

当输入的色同步信号进入Costas环时，首先同NCO输出的本地同相、正交信号相乘，相乘后的两路信号经积分清零器（低通滤波）后再通过相位检测器得到相位误差并经过环路滤波器之后自动调整NCO相位和频率，使其输出的载波实时同步输入的色同步副载波，达到锁频锁相的目的。

图3 色度解码框图

恢复出色度副载波之后，再进行色度解码，由式（1）知：

[F=UsinωSCt+ktVcosωSCt] （7）

[F×2cosωSCt=（UsinωSCt+ktVcosωSCt）×2cosωSCt=ktV（1+cos2ωSCt）+Usin2ωSCt] （8）

[F×2sinωSCt=（UsinωSCt+ktVcosωSCt）×2sinωSCt=U（1-cos2ωSCt）+ktVsin2ωSCt] （9）

式中：[kt]为PAL制同向开关+1，反之为-1。式（8）和式（9）通过低通滤波器后，得到两路压缩色差信号[U，V，]再利用RGB矩阵变换函数得到三基色[R/G/B][10]。

[R=Y+1.402V] （10）

[G=Y-0.344U-0.714V] （11）

[B=Y+1.772U] （12）

通过亮色分离和色度解码后的彩条图效果如图4，图5所示。

图4 彩条测试效果图 图5 彩条数字解码效果图

由以上效果图可以看出，采用自适应亮色分离和色度解码后整体上得到较清晰的彩条图像，但是开始进行色度解调时，Costas环载波跟踪需要很短的时间来同步相位和频率，导致解码后的彩条图像最顶端出现少量失真现象。图6，图7分别给出了亮度和色度部分波形图以及色度解码后红绿蓝三种信号部分波形图。

4 结 语

本文提出PAL制模拟电视数字解码方法，通过2D自适应梳状滤波分离出亮度信号，很大程度上改善了图像的清晰度，并且利用Costas环实现色副载波的同步，能够获得较准确的彩色信息且满足视频解码的需求。但是，不同彩色图像不仅对彩色图像分辨率高低要求不同，而且垂直方向图像相关性不一，此时2D梳状滤波器已不再适用。为了更进一步地提高图像质量，接下来将研究3D梳状滤波器解决垂直方向差异性较大的问题。

图6 亮度、色度波形

图7 色度解调后RGB波形

参考文献

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