1、1毕 业 设 计 说 明 书基 于 Matlab/Simulink的 彩 色 电 视系 统 的 建 模 仿 真 设 计专业 电子信息工程学生姓名 黄秀海班级 B 电子 071学号 0710602107指导教师 朱 明完成日期 2011 年 6 月 7 日盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011）1基 于 Matlab/Simulink的 彩 色 电 视 系 统 的 建 模 仿 真 设 计摘 要:近年来，随着仿真技术的普及应用，以及各种仿真软件的出现，仿真技术已经深入到各行各业。电视系统原理作为一门课程，教学过程中希望能显示各个阶段动态电视信号的图形，而现今的媒体教学还没有达到这种要求，实验课又
2、受到物理条件和时间空间的限制。因此提出基于MatlabSimulink来构建电视系统模型，从而能够动态仿真电视系统各主要环节及每个阶段的电视信号波形。该电视系统建模仿真旨在基于MatlabSimulink的基带图像信号编码器和解码器的研究，并不涉及电视信号的发射和接收的调制、解调，不涉及高频，中频，混频等技术，不涉及伴音信号。通过标准彩条信号仿真电视系统中各主要阶段的电视波形，并对波形进行分析。主要分析和比较模型的显示波形与理论波形，进而比较解码器和编码器模型中的显示波形。仿真结果表明，该模型能够正确地仿真出动态的电视信号波形。将标准彩条信号产生模块置换成静态图像读取模型，对图像处理进行初步研
3、究。首先将produce RGB signal的仿真数据传输Workspace工作空间，通过仿真数据显示彩条信号的图像。然后通过编写S-function函数读取任意静态图像，并将图像读取模块与电视系统仿真模型连接起来，从而显示读取图像的波形，并且通过对仿真数据处理显示读取的图像。这使电视系统具有更大的通用性和研究价值，有了进一步研究的空间。关键词：电视系统仿真平台；电视信号波形；标准彩条信号基于 matlab/simulink 的彩色电视系统的建模仿真设计2Based on Matlab/Simulink color television system modeling simulation
4、designAbstract：In recent years ,with the popularization of the application of simulation technology ,the emergence of a variety of simulation software, simulation technology has penetrated into all walks of life .As a curriculum for television principle ,its better to show the waveform of the televi
5、sions signal at every step ,while the existent technique call t reach the request ,and the experiments are limited by the physical conditions，time and space .This paper puts forward how to construct the models of television system based on Matlab/Simulink. Thereby the models can simulate the dynamic
6、 processes of TV and give the waveforms of the TV signals at every step dynamically The TV system model based on Matlab/Simulink is to research the encoder and decoder of the baseband image .It doesnt involve the modulation and demodulation of the television transmitting and receiving .It doesnt ref
7、er to these technologies, such as high-frequency ,intermediate frequency and mixing, and the sound signal. Simulate the main waveforms of the television model via the standard colorful bars signal and carry on the analysis to the waveforms .Its mainly carry on the analysis and comparison to the wave
8、forms of the model display and the theory, as well as the waveforms in the decoder and encoder models .The simulation results indicate that this model can simulate the dynamic television signal waveform correctly.Replace the produce RGB signal model into the reading frozen picture model, and conduct
9、 the preliminary study to the imagery process. Transmit the simulation data of the produce RGB signal to the Workspace firstly and display the color bars signals image via processing the data. Then read random frozen picture through compiling the S-function ,and connect the read model and the televi
10、sion system simulation platform , thus display the waveform and the image of the frozen picture via dealing with the simulation data .It enables the television system to have a bigger versatility and the research value ,have the further study space.Key words: television system simulation platform; t
11、elevision waveform; standard; colorful bars signal.盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011）3目 录1 绪论 .11.1 课题研究背景与意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 课题的目的和任务 .31.3.1 仿真目的及意义 .31.3.2 研究目标 .31.4 研究方法和技术路线 .31.5 仿真工具介绍 .41.5.1 MATLAB 总体介绍 .41.5.2 MATLAB 近年来在国外的发展状况 .61.5.3 SIMULINK 相关介绍 .62 彩色电视信号基本原理 .72.1 模拟彩色电视制式概述 .72.1.1 彩色电视信号的
12、兼容问题 .72.1.2 模拟彩色电视制式分类 .72.2 三基色原理 .92.3 大面积着色原理 .92.4 标准彩条信号 .102.6 本章小结 .113 电视系统编码器建模 .113.1 RGB 信号发生器的建模 .123.2 RGB-YUV 模型 .143.3 亮度信号通道建模 .153.3.1 行同步信号 .153.3.2 亮度信号 .153.4 色度信号通道 .163.5 全电视信号 .163.6 仿真步长的设置 .163.7 本章小结 .174 电视信号仿真与分析 .174.1 电视信号仿真与分析 .174.2 RGB 信号产生模块仿真 .174.3 亮度信号编码通道仿真 .18
13、4.4 全电视信号的仿真 .194.5 亮度信号解码通道仿真 .20基于 matlab/simulink 的彩色电视系统的建模仿真设计44.6 色度信号解码通道仿真 .214.6.1 色同步信号解调仿真 .214.6.2 色副载波信号解调仿真 .214.6.3 色度信号解调仿真 .224.6.4 色差信号解调仿真 .234.7 三基色信号解调仿真 .244.8 本章小结 .245 彩色电视接收机仿真 .245.1 仿真与分析 .245.2 本章小结 .266 总结 .27参考文献 .28致谢 .29附录 .30盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011）1基 于 Matlab/Simulink的
14、 彩 色 电 视 系 统 的 建 模 仿 真 设 计1绪论1.1课题研究背景与意义随着通信、电子及计算机技术的发展，与之密切相关的“手机电视”、图文电视、可视电话、广播电视、有线电视、会议电视、工业电视等电视系统作为信息终端也得到了长足的发展。尤其是数字电视的出现为电视系统提高性能、扩展功能及应用范围开辟了一条具有革命性的重要途径。因而，学习掌握电视的基本原理就变得更加的重要，当然，学习并掌握电视系统的结构组成、相关原理及各部分结构的特点是形势发展的需要。“电视原理”是用来介绍电视系统的组成，分析说明图像摄取、传输、重现的过程及信号变换的过程，并从理论上分析各有关参数的选取及选择依据，分析说明
15、各种电视制式的特点、组成及工作原理。这门课程不仅是从事电视、通信等相关领域的专业技术人员所必须掌握的，而且对于非专业人员来说，通过对这门课程的学习，也可以对电视有了较为全面的了解。目前国内许多学校在“电视系统”教学方面仍采用授课与实验相结合的教学模式，再辅以多媒体进行简单的演示。由于“电视原理”这门课在教学上需要一种直观性很强的授课方式，特别在现象判断、故障诊断与分析等教学上更是如此。而这些用语言是无法充分表达清楚，对现象分析判断正确与否最终都要依赖于电视屏幕上所显示的图像信息，系统内部出现什么情况，屏幕上图像相应给出什么信息，而这种信息经常是动态变化过程，如行或者场的不同步等，这是静态媒体教
16、学做不到的。在实验教学方面，受教学设备规模大小、场地大小、人员素质等因素影响很大，且实验课一次所容纳的学生数量有限，还有设备使用及人员的安全性等，因此上实验课要耗费相当大的精力。利用PowerPoint或其他一些多媒体制作工具，所编写的演示文稿或多媒体课件，虽然能够较清楚的说明电视系统的结构、原理，但这只是静态的演示方法。对于形象演示一些难以理解的动态过程及内容等还很欠缺，学生也只能靠大脑去形象思维，而每个学生对所描述现象的想象程度如何取决于该学生的以往经验、背景知识、思维方式等。整个教学过程仍以教师的讲授为主，而学生仍然是被动的接收者。现代电视技术的发展，在电视系统中分离元器件使用越来越少，
17、而更多地使用功能模块，使得从原来以分离元器件讲解电路为基础，过渡到以功能模块讲解电路为方向，把讲解重点放在模块功能的分析、应用。因此我们急切的需要仿真技术的结合，建立一套电视系统仿真模型，以便于利用模型对电视系统各部分工作原理进行分析以及对各点波形进行演示，达到对电视原理课程直观教学的效果。目前，在国际仿真领域具有相当权重的软件是MATLAB，此软件在信号系统、基于 matlab/simulink 的彩色电视系统的建模仿真设计2通信、控制、智能、电路仿真应用方面功能强大。利用MATLAB仿真软件作为“电视系统”教学课件的关键是建立电视系统主要部分的MATLAB仿真模型，在课堂上可实时演示。这样
18、使学生不仅对结构框图有一个静态的了解，而且在仿真过程中对电视系统内部动态工作过程也有一个形象化、直观化的了解。1.2国内外研究现状综合近几年国外多种教育技术杂志(如ET,ETS，EMI，JRCE，AJDE.)上所刊登的主要论文，以及国际上每年召开一次的规模最大的有关多媒体教育应用的国际会议“ED_MEDIA”世界大会，即“教育多媒体与超媒体”世界大会(World Conference on Educational Multimedia and Hypermedia)上所发表的基本观点，可以看出当前多媒体教育应用有几个值得注意的发展趋势，其中最重要的一条就是多媒体技术与仿真技术的结合。近年来，计
19、算机仿真技术己渐渐的渗入网络教学。网络教学利用互联网技术，跨越时空限制，最大程度地整合教学资源，将一流师资和一流教学设备结合仿真技术，通过网络与大批需要得到信息与知识的同学结合起来。这不但使学习变成一件有趣的事，而且使办学单位减少了人力、物力的消耗。关于电视的研究，有软件的也有和硬件的，有模拟电视也有数字电视。其中硬件实现的研究有：电视信号的亮色分离自适应梳状滤波器的算法及其硬件实现，提出了电视信号的亮色分离的一种新的算法并进行了硬件验证。PAL/NTSC制视频编码器的研究与设计，给出了一个单片+5V电压Bipolar视频编码器设计和分析，其内部集成了PAL/NTSC制编码器的全部功能，只需外
20、接一个产生4倍色副载波的石英晶体，就可将从编码信源引入的色副载波信号、R、G、B三原色信号和复合同步信号合成彩色全电视信号。电视信号数字解码器中同步提取、色度副载波恢复及色度解调部分的设计与Verilog实现，通过电视信号数字解码器芯片的设计，实现电视同步信号提取、亮色分离、色度副载波恢复及色度解调、输出格式转换等。模拟电视信号数字解码及视频处理研究与设计，用硬件实现模拟电视信号与数字电视信号的转换以及亮色信号和两种色差信号的分离。软件实现方面的有：关于电视信号的模拟及其模糊函数分析的研究，利用不同幅度、宽度、频率和相位的方波信号相叠加，生成模拟黑白全电视图像信号；并经过低通滤波器处理得到一个
21、能够反映电视图像的较为逼真的信号波形。Multisim2001环境下全电视信号源的设计与仿真，以PAL制彩条信号为例，介绍了用Multisim2001电路仿真软件制作全电视信号源的基本方法，并对全电视信号进行了仿真分析。随着仿真技术的普遍，关于电视信号的研究很多，但是基于通用的MATLAB仿真软件，把电视系统仿真做成一个仿真平台，目前还没有进一步的研究。因此，本研究具有一定的新颖性。盐城工学院本科生毕业设计说明书（2011）31.3课题的目的和任务1.3.1仿真目的及意义随着仿真技术的应用，越来越多的仿真技术与书本上理论的东西相结合，使书本上的知识从“死”变“活”，给学习者一种直观的感觉，既便
22、于理解又容易记住。所以说计算机仿真技术与书本的结合，使传统的教育向未来的多媒体教学迈进了一大步。利用此仿真软件作为电视系统原理教学的关键是建立电视系统主要部分的MATLAB仿真模型，在课堂上可实时演示。这样使学生不仅对结构框图有一个更加充分的静态了解，而且在仿真过程中对电视系统内部动态工作过程也有一个形象化、直观化的了解。学生通过每个模块的参数设置，更深刻的了解电视原理，通过观察动态的波形，对电视波形的形成有了更加形象的认识，这使教学更加耳目一新。还可以把这个仿真模型放到网络上，实现远程教学。1.3.2研究目标课题主要是结合计算机仿真技术，运用MATLAB软件提供的动态系统仿真工具SIMULI
23、NK来实现电视系统系统仿真平台， 该平台仿真旨在基于MATLAB/SIMULINK的基带图像信号编码器和解码器建模与仿真的研究，但不涉及电视信号的发射和接收的调制、解调，不涉及高频，中频，混频等技术，不涉及伴音信号。研究的主要目标是：a.根据电视原理的编码、解码器原理，把每个功能用MATLAB/SIMULINK构建模型，没有现成的模型时，通过编写S-function函数来完成相应的功能；b.将编码器、解码器组成一个完整的仿真平台，通过对MATLAB的理解和应用，使仿真平台具有强大的仿真能力；c.电视系统各个主要阶段的电视波形的动态仿真，并对波形进行分析与比较；d.SIMULINK模型与Work
24、space工作空间的数据通讯，从而显示RGB信号信号发生器的标准彩条信号图形，以及解码后彩条信号的图形；e.静态图像读取模型的构建，以及读取模型与电视系统的连接，静态图像的电视波形以及图像显示的研究。1.4研究方法和技术路线对于一个完整的仿真平台来说，从整个系统的架构到每一个具体部分的设计都需要科学的安排。对于本系统来说，采取的是自上而下的设计方法。先总体规划出系统的几大部分，再具体对每一部分进行设计，这样的好处是思路比较清楚，不会遗漏。对于每个小的部分，基于自下而上的原则，用MATLAB/SIMULINK来构建电视系统的模型，对于不能用现有模块来实现的功能要自己创建模块，创建模块的基于 ma
25、tlab/simulink 的彩色电视系统的建模仿真设计4关键技术就是用S-function封闭自己的算法。S-function是系统函数的英文缩写，它由特定的语法构成，用来描述并实现连续系统，离散或混合系统。S-function可以用M，C，FORTRAN等评议编写。往往S-function是整个动态系统的核心。将能实现电视每个功能的模块封装成一个子系统，作为一个小的系统。整个电视系统分为两个大的子系统：编码器和解码器，在每个大的子系统罩又有许多小的子系统。我们要构建的子系统模块有：RGB信号发生器模块，RGBYUV变换模块，PAL制色同步信号形成模块，U平衡调幅模块，V平衡调幅模块，FBA
26、S形成模块，Y-C分离模块，F u-Fv分离模块，基准副载波恢复电路模块，YUV-RGB还原模块，编码器模块，解码器模块等。然后把各个模块组合起来，形成完整的电视系统模型。对每个模型进行仿真，观察信号的波形，如果不符合，要对其进行研究、修正，其流程图如图1-1所示。仿真问题和目的确定仿真方案模块 s-function 编程 修改程序修改模型构建仿真模型印证模型结果 模块参数参数参数程序问题方案问题模型正确修改方案YY YYYN N NN图 1-1 流程图1.5仿真工具介绍MATLAB是一门计算机编程语言，取名来源于Matrix Laboratory，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛。1.5.1 MATLAB总体介绍
