第2节 PAL概述

在彩色电视制式标准上，欧洲没有立即采纳某一种标准，而是评估了1953年至1967年之间与他们的625行、50场/秒、2∶1逐行黑白电视标准兼容的各种制式。欧洲对NTSC规范进行了修改，以克服NTSC在广播过程中的高阶相位和幅度完整性要求，从而避免色彩失真。逐行倒相（PhaseAlternation Line，PAL）制式最初依赖于人眼对色彩失真的视觉平均补偿作用，实现了一种逐行倒相的彩色分量。PAL制式于1967年在德国和英国开始广播，这两个国家分别使用了一种稍微有所不同的PAL制式标准。

8.2.1 亮度信息
由R'G'B'推导的黑白亮度（Y）信号为：
Y＝0.299R'＋0.587G'＋0.114B'
和NTSC制式一样，PAL制式的亮度信号也占用整个视频带宽。PAL制式有若干种变体，每种变体的视频带宽和音频副载波的位置有所不同。根据不同的PAL制式标准，复合视频信号的带宽有4.2MHz、5.0MHz、5.5MHz和6.0MHz几种。

8.2.2 彩色信息
在传送彩色信息时，使用的是U和V：
U＝0.492(B'－Y)
V＝0.877(R'－Y)
其中U和V的典型带宽为1.3MHz。

8.2.3 彩色调制
和NTSC制式中一样，U和V使用两个相位正交的平衡调制器来调制彩色副载波：其中一个调制器由正弦相位的副载波驱动，另一个调制器由余弦相位的副载波驱动。两个调制器的输出叠加在一起形成色度调制信号：
C＝Usinωt±Vcosωt
ω＝2π FSC

对于（B、D、G、H、I、N）PAL：FSC＝4.433 618 75MHz（±5Hz）
对于（NC）PAL：FSC＝3.582 056 25MHz（±5Hz）
对于（M）PAL：FSC＝3.575 611 49MHz（±10Hz）

在PAL制式中，V的相位是逐行倒相的。选择V进行倒相处理是因为它相对于U拥有较低的增益系数，因此它对（1/2）FH交换频率不平衡较不敏感。V相位以行频交换的结果就是所有的彩色副载波相位误差生成互补的误差，允许在接收机处逐行平均，消除误差并生成饱和度稍微下降的正确色调。这一技术要求PAL接收机能够确定正确的V相位。这一问题可以通过著名的AB同步、PAL同步、PAL开关或者摇摆色同步信号（swinging burst）技术（包括色同步信号的相位以行频±45?的交换）完成。PAL制的UV矢量图如图8-11和图8-12所示。

简单PAL解码器依赖于人眼对逐行色调错误的平均补偿作用。标准PAL解码器使用一个1行延迟线在求均值过程中分离U和V。两种实现都有Hanover条问题，在这种问题中，每对邻接的行都有一个实的和一个互补的色调误差。行求均值过程所造成的结果就是使色度垂直解析度下降。

8.2.4 复合视频的生成
调制色度信息加上亮度信息以及合适的水平和场同步信号、消隐信号及色同步信号就生成复合彩色视频波形，如图8-13所示。

复合PAL＝Y＋Usin ωt±Vcos ωt＋时序所生成的复合视频信号的带宽如图8-14所示。

和NTSC制式相似，由于水平消隐，亮度分量也相隔FH间隔。因为V分量以1/2行频对称切换，所以只生成奇数的谐频，致使V分量相隔FH间隔。V分量和U分量错开半行间隔，而U分量也拥有FH间隔。如果和NTSC制式一样，副载波使用半行频偏置，那么U分量将完全隔行，但是V分量将和Y分量完全重叠，因此就无法隔行，产生垂直静态点模式。基于这个原因，所以PAL制式副载波频率使用1/4行频偏置：
对于（B、D、G、H、I、N）PAL：FSC＝［(1135/4)＋(1/625)］FH
对于（M）PAL：FSC＝(909/4)FH
对于（NC）PAL：FSC＝［(917/4)＋(1/625)］FH

在625行扫描标准下，PAL副载波频率还附加了一个（1/625）FH（等于25Hz）因子，增加彩色点模式，减小可视度。图8-15描述了所生成的频谱交错图。重复一个具体的样本位置需要8个完整的场，如图8-16和图8-17所示。

8.2.5 PAL标准
图8-19示范了几种常用的PAL制式表示方法。各个字母分别代表各种行频场频、视频带宽（4.2MHz、5.0MHz、5.5MHz或6.0MHz） 、音频载波相对频率和RF频道带宽（6.0MHz、7.0MHz或8.0MHz）的黑白电视标准。PAL指的是向黑白电视信号添加彩色信息的技术。详细的时序参数位于表8-9中。

逐行PAL制式如图8-18所示，是一种312行、50帧/秒的PAL制式，通常应用在视频游戏和银幕显示中。除了每帧只有312行之外，该格式与标准PAL制式相同。

8.2.6 RF调制
图8-20和图8-21描述了基带（G）PAL复合视频向RF（Radio Frequency，射频）信号的转换过程。基本上除了在视频带宽和副载波频率上有所不同外，其他PAL标准的转换过程与该过程相似。

图8-20a示范了一个（G）PAL基带复合视频信号的频谱。它与图8-14相似。但是，图8-14出于简化性，只示范了上边带。0MHz位置处的“视频载波”记号只是作为一个和图8-20 b 进行比较的基准点。

图8-20b示范了位于一个8MHz通道内的音频/视频信号。视频信号通过低通滤波，滤去大多数下边带，再加入音频信息。注意（H）和（I）PAL拥有一个1.25MHz的残留边带，而不是0.75MHz。

图8-20c详细描述了模拟立体声运算的音频副载波携带的信息。

如图8-21所示，模拟视频信号的后肩钳位保证了后肩电平值为常数，而与平均图像电平的变化无关。视频信号然后通过5.0MHz的低通滤波器滤波，随后驱动AM（Amplitude Modulation，幅度调制）视频调制器。同步电平对应于100%调制，根据PAL格式的不同，消隐电平和白色电平对应的调制有所不同：
消隐电平（%调制）
B、G 75%
D、H、M、N 75%
I 76%
白色电平（%调制）
B、G、H、M、N 10%
D 10%
I 20%

注意PAL制式使用一组不同的视频和音频IF频率（单位为MHz） ：

在这点上，音频信息叠加到音频副载波上。如图8-21所示，单声道L＋R音频信号被处理后去驱动FM（Frequency Modulation，频率调制）调制器。然后将FM调制器的输出叠加到IF视频信号中。

作为残留边带滤波器，SAW滤波器滤波IF信号。混频器（或者增频变频器） ，将IF信号和期望的广播频率混合起来。混频过程中将产生和频与差频，因此使用一个带通滤波器将差频信号抽
取出来。

1. 立体声音频（模拟）
图8-21示范了模拟立体声音频的标准（ITU-R BS.707） ，该标准也称为Zweiton或者A2。L＋R信息通过FM副载波传送。R信息，或者辅助L＋R音频信号，也是通过FM传送，但它的副载波为＋15.5FH。
若立体声或双路单声道信号存在， 那么频率为＋15.5FH的FM副载波要经过54.6875kHz （3.5FH）的副载波的幅度调制。这一54.6875kHz的副载波或者在117.5Hz（FH/133）处使用50%幅度调制表示立体声音频，或者在274.1Hz（FH/57）处使用50%幅度调制表示双路单声道音频。
使用这种制式的国家包括澳大利亚、奥地利、中国、德国、意大利、马来西亚、荷兰、斯洛文尼亚和瑞士。

2. 立体声音频（数字）
数字立体声音频使用NICAM 728（Near Instantaneous Companded Audio Multiplex，准瞬时压扩音频复用）标准，在BS.707和ETSI EN 300 163中讨论。该标准由BBC和IBA共同开发，以提高伴音质量，提供多个数字伴音或者数据通道，降低传输串挠。
音频副载波或者位于视频载波上面5.85MHz处[对于（B、D、G、H）PAL和（L）SECAM制式]，或者位于视频载波上面6.552MHz处[对于（I）PAL制式]。
使用NICAM 728的国家包括比利时、中国、丹麦、芬兰、法国、匈牙利、新西兰、挪威、新加坡、韩国、西班牙、瑞典和英国。

NICAM 728是一种使用32kHz采样频率和14bit解析度的数字制式。它使用的是728 kbit/s的速率，所以命名为NICAM 728。NICAM 728数据以帧传输，每帧包含1ms音频。如图8-22所示，每个帧包括：

对于前8个连续帧，C0是1，对于后8个连续帧，C0是0，定义了一个有16帧的帧序列。C1~C3指定所传送音频的格式：000表示一路单立体声信号，左通道样本编号为奇数，右通道样本编号为偶数；010表示以交变帧传送两路独立的单声道音频；100表示以交变帧传送一路单声道通道和一路352kbit/s的数据通道；110表示一路704kbit/s的数据通道。如果模拟伴音和数字伴音相同，C4是1。

• 立体声音频编码
  每个通道上的32个14bit样本（1ms音频、以2的补码进行编码）根据ITU-T J.17曲线进行预加重处理。
  32个样本中的最大正或者负样本用来确定要传送全部32个样本所使用的10位。每个通道上的3个幅度位（range bit） （R0L、R1L、R2L和R0R、R1R、R2R）用来指定压缩系数。D13是符号位（0表示正） 。

每个样本的6个MSB添加一个奇偶校验位，从而每个样本有11 bit。64个样本相互交织，生成的结果就是L0、R0、L1、R1、L2、R2、…、L31、R31，编号为0~63。
奇偶校验位用来向解码器传递每个通道使用的压缩系数［“奇偶校验信令（signalling-in-parity） ”］。

如果R2L＝0，使用样本0、6、12、18、…、48的偶校验。如果R2L＝1，使用奇校验。
如果R2R＝0，使用样本1、7、13、19、…、49的偶校验。如果R2R＝1，使用奇校验。
如果R1L＝0，使用样本2、8、14、20、…、50的偶校验。如果R1L＝1，使用奇校验。
如果R1R＝0，使用样本3、9、15、21、…、51的偶校验。如果R1R＝1，使用奇校验。
如果R0L＝0，使用样本4、10、16、22、…、52的偶校验。如果R0L＝1，使用奇校验。
如果R0R＝0，使用样本5、11、17、23、…、53的偶校验。如果R0R＝1，使用奇校验。

样本54~63的奇偶校验通常采用偶校验。但是，可以修改它们，从而可以传输两个额外的信息位：
如果CIB0＝0，使用样本54、55、56、57和58的偶校验。如果CIB0＝1，使用奇校验。
如果CIB1＝0，使用样本59、60、61、62和63的偶校验。如果CIB1＝1，使用奇校验。
音频数据进行了位交织处理，如图8-22所示，以减少传输过程中突发误码的影响。如果各个位按0~703编号，那么它们按照0、44、88、…、660、1、45、89、…、661、2、46、90、…、703顺序传送。

除了帧同步字外，整个帧和一个1bit的伪随机二进制序列（Pseudo-Random Binary Sequence，PRBS）进行异或运算。PRBS发生器在每个帧的帧同步字之后重新被初始化，从而伪随机二进制序列的第一个位处理的是C0位。PRBS的生成多项式为x9＋x4＋1，初始值为111111111。

实际传输过程包括将728kbit/s比特流形成比特对，然后使用差分正交相移键控（DifferentialQuadrature Phase-Shift Keying，DQPSK）每秒生成356k符号。如果符号是00，那么副载波相位保持不变。如果符号是01，那么副载波相位延迟90?。如果符号是11，那么副载波相位倒相。如果符号是10，那么副载波相位超前90?。

最后，符号进行频谱成形，形成一个－30dB的约700kHz[（I）PAL制式]或者约500kHz［（B、G）PAL制式］带宽。

• 立体声音频解码
  PLL加锁NICAM副载波频率，恢复表示编码符号的相位变化。解码的符号生成728kbit/s的比特流。
  接着查找帧同步字，对剩余的位和一个本地生成的PRBS进行异或，恢复包。然后为前8帧和后8帧测试C0位，验证是不是NICAM 728比特流。
  
  接下来对位交织处理的音频数据进行去位交织，解出“奇偶校验信令” ：
  大多数表决发生在样本0、6、12、…、48的奇偶校验上。如果是偶校验，R2L＝0；如果是奇校验，R2L＝1。
  大多数表决发生在样本1、7、13、…、49的奇偶校验上。如果是偶校验，R2R＝0；如果是奇校验，R2R＝1。
  大多数表决发生在样本2、8、14、…、50的奇偶校验上。如果是偶校验，R1L＝0；如果是奇校验，R1L＝1。
  大多数表决发生在样本3、9、15、…、51的奇偶校验上。如果是偶校验，R1R＝0；如果是奇校验，R1R＝1。
  大多数表决发生在样本4、10、16、…、52的奇偶校验上。如果是偶校验，R0L＝0；如果是奇校验，R0L＝1。
  大多数表决发生在样本5、11、17、…、53的奇偶校验上。如果是偶校验，R0R＝0；如果是奇校验，R0R＝1。
  大多数表决发生在样本54、55、56、57和58的奇偶校验上。如果是偶校验，CIB0＝0；如果是奇校验，CIB0＝1。
  大多数表决发生在样本59、60、61、62和63的奇偶校验上。如果是偶校验，CIB1＝0；如果是奇校验，CIB1＝1。
  
  任何奇偶校验与表决不符的样本都将忽略，替换为一个内插值。
  左通道使用幅度位R2L、R1L和R0L确定在编码过程中丢弃哪些位于符号位之下的位。将符号位复制到这些位置上生成一个14 bit的样本。
  右通道处理过程相似，使用幅度位R2R、R1R和R0R。然后使用J.17曲线对两个通道进行去加重（de-emphasize）处理。
• 双路单声道音频编码
  两个32个14bit样本（2ms音频，以2的补码进行编码）的块根据ITU-T J.17规范进行预加重处理。和立体声音频一样，每个块有3个幅度位（R0A、R1A、R2A和R0B、R1B、R2B） ，用来表示压
  缩系数。与立体声音频不同，样本没有进行交织处理。
  如果R2A＝0，使用样本0、3、6、9、…、24的偶校验。如果R2A＝1，使用奇校验。
  如果R2B＝0，使用样本27、30、33、…、51的偶校验。如果R2B＝1，使用奇校验。
  如果R1A＝0，使用样本1、4、7、10、…、25的偶校验。如果R1A＝1，使用奇校验。
  如果R1B＝0，使用样本28、31、34、…、52的偶校验。如果R1B＝1，使用奇校验。
  如果R0A＝0，使用样本2、5、8、11、…、26的偶校验。如果R0A＝1，使用奇校验。
  如果R0B＝0，使用样本29、32、35、…、53的偶校验。如果R0B＝1，使用奇校验。
  
  音频数据进行了位交织处理；但是，奇数包包含音频通道1的64个样本，而偶数包包含音频通道2的64个样本。其他处理过程与立体声音频的处理过程相同。

8.2.7 模拟频道分配
表8-5至表8-7列举了各种PAL制式的VHF、UHF及有线的频道分配情况。

注意有线电视系统按惯例重新分配了频道号，以交变频率，从而将干扰最小化并提供多种级别的节目（例如两种版本的收费电影频道：其中一个针对订户，另一个针对预演阶段的非订户） 。

8.2.8 亮度方程推导
由RGB信息生成亮度的方程由接收机所使用的三基色色度和真正的白光源决定。
RGB三基色色度和基准白光（CIE照明D65）为：
R：xr＝0.64 yr＝0.33 zr＝0.03
G：xg＝0.29 yg＝0.60 zg＝0.11
B：xb＝0.15 yb＝0.06 zb＝0.79
白色：xw＝0.3127 yw＝0.3290 zw＝0.3583
其中x和y由CIE 1931色度坐标指定；而z由x＋y＋z＝1计算。

和NTSC一样，将已知数据代入上式，求解出Kr、Kg和Kb：

Y定义为：
Y＝(Kryr)R'＋(Kgyg)G'＋(Kbyb)B'＝(0.674)(0.33)R'＋(1.177)(0.60)G'＋(1.190)(0.06)B'
或者：
Y＝0.222R'＋0.706G'＋0.071B'
但是，仍然可以使用标准的Y＝0.299R'＋0.587G'＋0.114B'方程式。为了减少色彩误差，需要对接收机进行调整。

8.2.9 PALplus
PALplus（ITU-R BT.1197和ETSI ETS 300 731）是一个从1990年开始的协作项目的成果，该项目由几个欧洲广播商承担。在1995年时，他们希望提供一种与现有接收机兼容的增强清晰度电视（Enhanced Definition Television，EDTV） 。从1994年开始，就有少数几个广播商开始传送PALplus。

PALplus图像是16∶9宽高比的画面。在传统电视机上，它显示为一个拥有430有效行的16∶9的Letterbox图像。在PALplus电视机上，它显示为一个拥有574有效行的16∶9的图像，而且垂直解析度还得到增强。亮度信息可以使用完整的视频带宽。串色干扰可以通过干净编码（cleanencoding）得以减少。

1. 宽屏信令
第23行包含一个宽屏信令（Wide Screen Signaling，WSS）控制信号，该信令由ITU-R BT.1119和ETSI EN 300 294定义，由PALplus电视机使用。该信令含义如下。

节目宽高比：
完全模式4∶3
Letterbox模式14∶9居中
Letterbox模式14∶9置顶
完全模式14∶9居中
Letterbox模式16∶9居中
Letterbox模式16∶9置顶
完全模式16∶9变形
Letterbox模式>16∶9居中

增强服务：
摄像机模式
影片模式

字幕：
图文电视字幕（Teletext Subtitle）呈现
开放字幕（Open Subtitle）呈现

PALplus方式定义为16∶9 Letterbox居中模式、摄像机模式或者影片模式，通过调制提供辅助信号并使用干净编码技术。图文电视字幕可以呈现，也可以不呈现，而开放字幕只能在有效图像区域内呈现。

在PALplus信号传输过程中，在编码之前，任何位于第23行和第623行上的有效视频都将被清除。除WSS数据之外，第23行还包含48±1周期的300±9mV副载波和-U相位，从0H之后的51μs±250ns开始。第623行包含一个10μs±250ns的白色脉冲，从0H之后的20μs±250ns开始。

PALplus电视机可以对影片模式信号去进行隔行处理并在一个50Hz逐行扫描显示器上显示,也可以使用场重复方法在一个100Hz的隔行显示器上显示。

2. 重影消除
第318行上还有一个可选的重影消除（ghost cancellation）信号，该信号由ITU-R BT.1124和ETSI ETS 300 732定义，允许支持这一功能的电视机测量重影信号，消除有效视频中的重影。
PALplus电视机可以支持也可以不支持这一功能。

3. 垂直滤波
所有的PALplus源最初都是一个16∶9的YCbCr变形图像（anamorphic image） ，该图像占用全部576个有效扫描行。第23行和第623行上的所有有效视频在编码之前都将被清除（因为这些行用于WSS和参考信息） ，从而使每帧的有效行只有574行。第24~310行和第336~622行用于有效视频。

在传输之前，16∶9图像的574行有效扫描行压缩到430行扫描行中。为了避免图像的混叠问题，垂直解析度通过低通滤波降低。

对于Y信号而言，通过使用正交镜像滤波器（Quadrature Mirror Filter，QMF）高通和低通滤波对实现垂直滤波。通过应用QMF处理过程，可以对高通和低通滤波信息重新采样、传送，然后以最小的损耗重组。

Y信号的QMF低通滤波输出重新采样为原始高度的3/4；混叠问题对信息所造成的损失极少。在干净编码之后，它就成为传统4∶3电视机显示的Letterbox模式信号。

Y信号的QMF高通滤波输出包含原始场频的其余部分。它用来生成没有被Letterbox模式图像使用的黑场扫描行传送的辅助信号。

• 影片模式
  影片模式广播拥有来源于同一个图像的帧的两个场，就像在电视电影上显示电影一样。
  在影片模式中，每帧的最大垂直解析度为每个有效图像高度287周期（cycle per active pictureheight，cph） ，受每帧有效扫描行574行限制。
  Y信号的垂直解析度降低为215cph，从而只需使用430行有效扫描行就可以进行传送。QMF低通和高通滤波器将Y信号垂直信息分隔成DC-215cph和216-287cph分量。
  Y信号低通信息被重新扫描成430行，变成Letterbox模式图像。因为场频受最大215cph限制，所以没有信息丢失。
  Y信号高通输出的行数骤减，因此4行中只用传送1行。这144行用来传送辅助信号。因为QMF处理，所以在行数骤减情况下没有信息丢失。
  Letterbox模式图像中间有430行，上面和下面各有72行用来传送144行辅助信号。这样就生成一个标准的574行有效扫描行图像，原始图像以正确的宽高比显示，并且位于辅助信号的中间。包含300mV辅助信号的扫描行使用U副载波调制，因此它们看上去是黑色的，对观众不可见。
  在固定ColorPlus处理过程之后，574行扫描行经过PAL编码，作为标准的隔行PAL帧传送。
   
• 摄像机模式
  摄像机（或者视频）模式假定帧的各个场之间相互独立，就像摄像机拍摄一个运动中的场景一样。因此，图像在场之间可能有变化。摄像机模式只进行场内的处理。
  在摄像机模式中，每场的最大垂直解析度大约是每个有效图像高度143周期（cph） ，它受每场有效扫描行287行的限制。
  Y信号的垂直解析度降低为107cph，从而只需使用215行有效行就可以进行传送。QMF低通和高通滤波器对将Y信号垂直信息分隔成DC-107cph和108-143cph分量。
  Y信号低通信息被重新扫描成215行，变成Letterbox模式图像。因为场频受最大107cph限制，所以没有信息丢失。
  Y信号高通输出的行数骤减，因此4行中只用传送1行。这72行用来传输辅助信号。因为QMF处理，所以在行数骤减情况下没有信息丢失。
  Letterbox模式图像中间有215行，上面和下面各有36行用来传输72行辅助信号。这样就生成一个287行有效行图像，原始图像以正确的宽高比显示，并且位于辅助信号的中间。包含300mV辅助信号的扫描行使用U副载波调制，因此它们看上去是黑色的，对观众不可见。
  在固定或者运动自适应ColorPlus处理之后，287行扫描行经过PAL编码，作为一个PAL场传送。

4. 干净编码
PALplus信号中只有Letterbox模式这一部分信号经过干净编码处理。辅助信号并不是实际的PAL视频。但是，它们太接近于视频信号，从而能够穿过传输路径，只是在标准电视机上仍然保持相对不可见。

5. ColorPlus处理

• 固定ColorPlus
  影片模式使用固定ColorPlus技术，从而利用帧的两个场之间没有运动这种情况。
  固定ColorPlus处理依赖于处于相反相位的复合PAL信号在分离312行时的副载波相位。如果这两行拥有相同的亮度和色度信息，就可以通过相互之间添加和抽取复合信号来分离。添加复合信号意味着取消色度信号，剩下亮度信号。抽取复合信号意味着取消亮度信号，剩下色度信号。
  
  在实际中，位于3MHz之上的Y信息（YHF）是帧内平均的，因为它与调制色度共享频谱。对于行[n]而言，YHF的计算如下所示：
  对于430行Letterbox模式图像：0≤n≤214
  YHF(60＋n)＝0.5[YHF(372＋n)＋YHF(60＋n)]
  YHF(372＋n)＝YHF(60＋n)
  接下来YHF添加到低频Y（YLF）信息上。Cb和Cr也采用相同的帧内平均过程。然后430行Letterbox模式图像进行PAL编码。
  因此，3MHz以上的Y信息和CbCr信息，在行[n]和行[n＋312]上是相同的。低于3MHz的Y信息在行[n]和行[n＋312]上可能不同。为了辅助信号，解码器需要重建287cph的完整垂直解析度。
   
• 运动自适应ColorPlus（MACP）
  摄像机模式根据场间的运动量，或者使用运动自适应ColorPlus，或者使用固定ColorPlus。这就要求编码器和解码器都提供运动检测器（motion detector） 。
  为了检测移动，需要比较行[n]和行[n＋312]上的CbCr数据。如果它们匹配，那么假定没有运动，使用固定ColorPlus运算。如果CbCr数据不匹配，那么假定存在动动，使用运动自适应ColorPlus运算。
  在运动自适应ColorPlus运算过程中，添加到YLF上的YHF量取决于CbCr(n)和CbCr(n＋312)之间的差值。对于最大的CbCr差值，行[n]和行[n＋312]上不传输YHF数据。
  另外，帧内平均的CbCr数据量与直接CbCr数据的混合取决于CbCr(n)和CbCr(n＋312)之间的差值。对于最大的CbCr差值，行[n]和行[n＋312]上只传送直接的CbCr数据。