电视成像原理

第六章电视成像原理6.1引言电视是根据人眼视觉特性，以一定的信号形式实时传送活动景物（或图像）的技术。摄像部分，利用摄像管的光电效应，将景物随时间和空间变化的光信息变成电信号；电信号通过一定的途径传输到接收端，再由显示设备显示出原景物。显像部分一般利用荧光材料或液晶的电光效应，将电信号重新还原成对应的光图像。

26.1引言像素

根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，平面图像总可以看成是由许许多多小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素。像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。基本概念

一幅黑白平面图像，表征它的特征参量是亮度。即组成黑白画面的每个像素，不但有各自确定的几何位置，而且各自还呈现着不同的亮度。由于电视系统传送的是活动图像，因而每个像素亮度既是空间（二维）函数，同时又是时间函数。用数学函数可表示为：(6-1)36.1引言图像帧

电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，每帧图像由许多像素组成，帧是构成活动图像的最小单元。将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程称为扫描。扫描的过程和我们读书时视线从左到右、自上而下依次进行的过程类似，扫完第一幅后扫第二幅，如此循环。扫描从左至右的扫描称为行扫描；自上而下的扫描称为帧(或场)扫描。46.1引言扫描的实质是将原来随空间和时间变化的函数变成只随时间变化的函数，即fB(x,y,t)→fB(t)，所以传输通道的输出u(t)=fB(t)，即单一时间函数的亮度信息变量。在电视成像中，为了使人感觉到连续活动的图像，每秒钟需要出现1000万个像素，能够达到如此高的记录速度的，只有电子扫描技术。电子扫描由电子枪进行，指利用电场或磁场的作用，使电子束高速运动。事实上，电子扫描正是电视系统中完成图像分解和合成的基本手段。56.1引言按电子束的运动规律不同，电子扫描可以分为直线扫描、圆扫描、螺旋扫描等多种方式。在电视系统中，为了充分利用矩形屏幕，并使扫描设备简单可靠，通常采用匀速单向直线扫描方式。

进行扫描时，要求收发两端的扫描规律必须严格一致，称为同步。

同步包含两个方面：一是两端的扫描速度相同，称作同频；二是两端画面之每行、每幅的扫描起始时刻相同，叫做同相。既同频又同相才能实现同步扫描，保证重现图像既无水平方向扭曲现象，也无垂直方向翻滚现象。66.1引言电子束的扫描是靠偏转系统实现的。只有电子束按一定规律偏转，而且这种偏转规律与发送端一致时，才能重现原来的图像。电子偏转分静电偏转和电磁偏转。静电偏转静电偏转是靠加在偏转板上的锯齿波电压，并在偏转板之间形成电场E而使电子束受力产生偏转。电场力为：(6-2)式中e为电子的电荷。7电磁偏转6.1引言电磁偏转是靠偏转线圈中所通过的电流形成磁场，使电子在磁场中运动受力而偏转，其偏转方向由电磁学的左手定则确定。磁场力为：(6-3)注意：磁场较大时，屏幕边缘部分会出现延伸性失真，扫描电流需要一定的非线性。进行线性扫描需要线性良好的锯齿波电流流过线圈。但是，为了克服延伸性失真，实际电流需要有一定的非线性。另外，要在水平和垂直方向同时施加磁场进行扫描，需要两组互相垂直的偏转线圈。电磁偏转容易实现大偏转角，射线电流大、像差小，所以摄像管和显像管都采用电磁偏转。86.1引言电磁偏转示意图平面屏幕偏转距离偏转角垂直纸面向外的均匀磁场匀速运动的电子偏转中心圆周半径磁场区域磁场强度B电子速度v电子质量m电子电荷e96.1引言令为常数，可得偏转角为：(6-4)这样，在偏转角较大时，偏转距离D为：(6-5)偏转角较小（磁场较弱）时，偏转距离D为：(6-6)106.1引言根据左手定则，对电子束施加水平方向磁场，电子束做垂直方向偏转；对电子束施加垂直方向磁场，电子束做水平方向偏转。在电视系统中，摄像管与显像管外部都装有水平和垂直两组偏转线圈。同时加入锯齿波电流时，电子束既作水平扫描又作垂直扫描，形成直线扫描光栅。逐行扫描电子束从屏幕左上端开始，按照从左到右，从上到下的顺序以均匀速度一行接一行的扫描，一次连续扫描完成一帧电视画面的方式称为逐行扫描。116.1引言行扫描过程中，电子束从左到右的扫描称为行正程扫描，所需时间THS；电子束从右到左的扫描称为行逆程扫描，所需时间THR；行扫描周期TH=THS+THR，行扫描频率fH=1/TH。电子束从上到下的扫描称为帧正程扫描，所需时间TFS；电子束从下到上的扫描称为帧逆程扫描，所需时间TFR；所以，帧扫描周期TF=TFS+TER，帧扫描频率fF=1/TF。帧周期应为行周期的整数倍Z，Z足够大时，人眼将分辨不出行扫描光栅结构126.1引言为了使图像均匀清晰，电视系统在逆程期间不传送图像信号，采用消隐脉冲截止扫描电子束，使逆程无扫描线。为了提高传输效率，应使正程时间远大于逆程时间。我国电视广播技术体制规定：行逆程系数约为18％，即THR/TH~18%，帧逆程系数约为8％，TFR/TF~8%。隔行扫描一帧图像逐行扫描完成后，整个屏幕亮一次。根据人眼视觉惰性及临界闪烁频率，在保证无闪烁感的条件下，要求电视屏幕每秒钟亮的次数须在48次以上。提高帧频，会增加图像信号的传输带宽。为了消除闪烁感又不使图像信号传输带宽过宽，提出了隔行扫描方案。136.1引言隔行扫描是将一帧电视图像分成两场进行交错扫描。第一场对图像的奇数场扫描，第二场对图像的偶数场扫描。奇偶两场光栅均匀相嵌，构成一幅完整画面。由于扫完每一场屏幕从上到下整个亮一次，所以，扫完一幅图像屏幕亮了两次。这样，帧频是场频的一半，在保证无闪烁感的同时，又使图像信号的传输带宽下降一半。隔行扫描光栅及电流波形一帧图像行数一般选为奇数，每场均包含半行。奇数场最后一行为半行，偶数场第一行为半行，最后一行为整行。146.2摄像原理电视信号的产生由摄像管完成。摄像部分是利用摄像管的光电效应，将景物随时间和空间变化的光电信息变成电信号。黑白摄像管摄像管是实现光电转换的摄像器件，它将二维空间分布的光学图像转换为一维随时间变化的视频电信号。摄像管主要由镜头、光电靶、聚焦线圈和偏转线圈组成。工作过程：①光电转换：2D光强分布→2D电量分布。②电荷存储：电量积累→电荷分布靶面。③信号扫描读出：电子枪逐点扫描→视频信号。156.2摄像原理电子枪RL黑白摄像管的构造1）光电效应外光电效应：指一些金属如钾、铀在光能量激发下发射电子。内光电效应：指一些半导体材料（如硫化锑）在光能量的激发下改变其电阻。内光电效应转换效率高，材料可以存储和积累电荷，应用广泛。16光学图像正电荷向低电位转移电位图像。光电导体形成跨层电场，受到光照后，电导率升高，升高的程度与光照强度成正比。正电荷从高电位流向低电位，靶的右侧电位升高。这样就把入射在光电导体左边的光学图像，转换成了右边的电位图像。6.2摄像原理光电导靶绝缘面电位的上升过程是电荷的积累过程。注：光电导靶是半导体，未受到光照时，具有较高的电阻率（1012欧.cm）17

摄像管未工作时，光电导靶两个表面间有数十伏的电压差；工作时，光照使受光面产生光生载流子，两表面间产生放电电流，靶的绝缘面电位上升。一帧时间内，放电电荷是连续积累的。6.2摄像原理2）电荷存储与积累入射光子轰击光电导靶，产生本征吸收（光生载流子），引起电导率变化与图像照度分布一致。电导率变化导致光电靶两侧放电，绝缘面电位上升，上升的数值对应于该点输入图像照度值。细电子束发射源：间热式氧化物阴极。聚焦系统：聚焦线圈的磁场和聚焦阳极的电场。偏转系统：两对磁偏转线圈（偏转角一般小于10o）。18内光电效应积电式摄像管视频信号形成等效回路45V100K⑤摄像时，Re变化很大→充电电流变化很大→负载电阻RL上形成图像信号电压（几十毫伏）。摄像管阴极6.2摄像原理①光电靶像素：一个大电阻和小电容的并联。②电子束：单刀多掷开光。③充电回路：E＋，RL，信号极，Ce，R，K，E－。④无光照时，Re很大，补充电流非常小（0.5nA，几十微伏）。光线越强，等效电阻Re越小。E为靶电源。系统沿使Ce左端电位为E，右端电位为零，扫描间隔中Ce会放电，形成非常微弱的暗电流，约为0.5nA，输出信号电压约为几十微伏。摄像时，依次接通各个像素，Ce放电，右端电位上升，形成电位像。电子束对电位像的高电位进行充电，充电电流能够反映电位的高低，也就反映了像素的亮度，RL上形成图像信号电压（约几十毫伏）。19彩色摄像管棱镜分色系统与滤色镜反绿镜反蓝镜加强反射EGEBER6.2摄像原理摄像管本身并无辨色能力，它只能辨别亮度，输出信号的颜色特征是靠分色系统和滤色片赋予的。彩色摄像机＝三个黑白摄像管+棱镜分色系统+红、绿、蓝滤色镜→三基色信号ER，EG，EB206.2摄像原理6.2.1全电视信号

黑白全电视信号由图像信号和辅助信号组成，辅助信号有同步信号和消隐信号。1）电视图像信号波形图像信号是由摄像管将明暗不同的景象经过电子扫描和光电转换而得到的电信号。该电信号有正负极性之分：光线越强，输出信号电平值越高为正极性图像信号；光线越强，输出电平值越低，称为负极性的图像信号。正极性图像信号负极性图像信号21一般说来，电视图像信号是随机的。负极性随机图像信号6.2摄像原理电视图像信号的特点对于一般的活动图像，垂直方向变化缓慢，相邻两行或相邻两帧的图像信号差别很小，行（帧）间具有较强相关性。①近似周期性电视图像波形的近似周期性226.2摄像原理电视图像信号具有直流成分，其数值总是在零值以上或以下的一定范围内变化，不会同时跨越零值上下两个区域。因此，图像信号具有平均值，其数字决定了图像的背景亮度。②单极性2）电视图像信号的频谱分析频谱指信号中所含的频率成分及其能量分布，即各频率成分的相对幅度。摄像时，图像上各像素的亮度按时间顺序变为电信号，因此，图像信号是时间的函数fB(t)。图像信号是单极性信号，其幅度与亮度成正比，其频带宽度与图像内容有关。236.2摄像原理

欲求电视图像的频带宽度，必须知道其最高和最低频率。最低频率：指图像的背景亮度，即图像信号的直流分量，其频率接近于零。最高频率：需要根据孔阑效应进行计算。孔阑效应指电子束孔径的大小对图像水平分解力的影响。图像孔阑效应及对应电视信号246.2摄像原理

孔阑效应表明：扫描电子束直径与像素大小相当时，其图像信号近似为正弦波，故图像信号的最高频率为：（6-7）这里，N指水平分解力，即一行内所能分解的黑白条纹数：Z表示每帧的行数，M表示垂直分解力，K表示幅型比系数。(1-β)Z表示扫描行数减去消隐的行数，即有效扫描行数。Ke是凯尔系数。（6-8）实验表明，在同一电视系统中，水平分解力与垂直分解力相当时图像质量最佳。256.2摄像原理（6-9）（6-10）β为场逆程系数。如果采用隔行扫描，则fF＝fv/2，得到：（6-11）THS是行正程时间，除以像素数目N得到每个像素的采样时间。αTH表示行逆程时间。α表示行逆程系数。fH指行频，它等于帧频fF乘以每帧行数Z。在逐行扫描的情况下，fF＝fV，得到：266.2摄像原理如何确定场频fV？根据扫描光栅无闪烁和活动图像有连续感的要求，场频一定要大于临界闪烁频率，即fV≥48Hz。根据占用频带宽度尽可能窄以及不受电源干扰的要求，场频最好与电力网频率同步。目前各国的场频与本国的电源频率相同，即50Hz或60Hz。注：如果场频与电力网频率不相同，接收机电源滤波器不完善，以及杂散电源磁场的影响，电视图像会产生扭曲摆动和“滚道”现象。如果场频和电源频率同步锁定后，上述干扰就会固定不动，眼睛就会逐步习惯这种干扰，不会产生不适应的感觉。不过，现代接收机的生产工艺水平已经能够克服这些电源的干扰，因此场频与电力网频率相同的要求并非必要。27如何确定每帧行数Z？

此参数旨在提供当观看距离为屏幕高度的6倍时，适于一般视觉敏锐度的垂直分辨率的值。每帧行数为奇数。当前，常规广播电视的标准化值为每帧525行和625行。6.2摄像原理我国现行电视标准：图像幅型比K为4:3，场频fV＝50Hz，扫描行数Z＝625，行逆程系数α＝18％，场逆程系数β＝8％，凯尔系数Ke＝0.76。采用隔行扫描的图像信号的带宽为：（6-11）所以，电视信号的亮度传输通道的频带规定为6MHz。28静止图像的频谱只在水平方向有亮度变化的静止图像

这种情况下，每个行扫描得到的图像信号都是一样的。根据傅立叶分析，频谱是线状谱，位于行频fH及其谐波nfH上。n越大，能量越小。对于我国，6MHz带宽最高谐波次数n＝384。6.2摄像原理3)电视信号的频谱垂直方向无变化的静止图像及其频谱波形以行频重复29在垂直方向也有亮度变化的静止图像信号频谱仍以行频fH重复，频谱成分为nfH±mfV，其频谱分布是离散谱线族（谱线群），主谱线为nfH。频谱特点：信号能量集中在行频fH及其各次谐波nfH的主谱线上，n越大能量越小。在每个主谱线两旁存在着场频及其谐波的许多副谱线。m越大，副谱线能量越小。6.2摄像原理行频谐波场频谐波波形以场频重复30在垂直方向有细节变化的静止图像垂直方向有精细细节变化时，两场信号会有差异，其信号波形以帧为周期，故频谱成分为nfH±mfF。由于垂直方向内容有不小的相关性，所以帧间差引起的奇数倍成分相对较小。帧频fF为25Hz。6.2摄像原理波形以帧频重复31运动图像的频谱对于一般速度运动的物体，形成的帧周期信号波形表现为随运动情况在时间轴上的相位有变化。随景物运动，两旁的谱线依时间左右摆动，主谱线两旁的副谱线近乎连续。6.2摄像原理运动图像信号频谱总体来讲，图像信号频谱是离散而成群的，呈梳齿状。因电视图像相邻帧间、行间相关较大，相邻谱群之间有信号能量的空白区。32辅助信号的波形与频谱160μs1612μ

s行、场同步和消隐信号（均为周期性脉冲）6.2摄像原理同步信号消隐信号33辅助信号的频谱一般来说，能量主要集中在f=3/τ以内，故可近似认为这类脉冲信号的最高频率为fmax=3/τ。各辅助信号频谱都小于6MHz。6.2摄像原理频谱与脉冲宽度τ有关34

为了分析问题简单，常将全电视信号的频谱表示为下图：结论：全电视信号具有在0～6MHz范围内离散分布的频谱结构。6.2摄像原理356.3电视信号的发射与传输6.3.1电视中心电视中心负责电视信号的产生（摄取）、处理与编辑，是所有电视节目的来源。并且，通过发射机调制、放大，合成射频电视信号，向四方发射出去。

图像视频信号的带宽很宽（0～6MHz），要发射出去需要很高的载波频率，一般采用超短波或微波来发射。对于一个200m高的发射天线，可以估算出其电波覆盖半径为50公里。设发射天线高为h1，接收天线高为h2，地球半径为R，则视距为l1+l2。366.3电视信号的发射与传输电视信号发射设备包括图像发射机、残留边带滤波器、双工器、视频输入设备、监测设备、假负载、控制台、发射天线。在广播电视系统中，电视信号源（摄像机、电视幻灯机、测试信号发生器、激光视盘机等）产生的电视信号称为视频电视信号，它不适合直接进行发射；视频全电视信号只有经过调制和混频，形成射频全电视信号，才能发射。视频全电视信号射频化1）视频图像残留边带调幅做法：切除下边带，保留载波及上边带：12MHz→7.25MHz优点：①节省带宽；②降低了发射和接收天线的带宽要求；③简化了发射机和接收机的高频电路；④提高了发射机的有效输出功率。但是，不均衡调幅需要特殊的接收中放。37做法：伴音信号频率范围是50～15000Hz，经调频变成宽带信号（130KHz）。优点：与图像调制方式不同，不互相干扰，接收质量高。高频端抗干扰能力差，需要预加重处理6.3电视信号的发射与传输2）伴音信号调频我国广播电视系统规定：甚高频（VHF）：48～223MHz；超高频（UHF）：470～960MHz；伴音信号带宽：130KHz。注：最大频偏△fm＝50KHz，已调伴音信号的带宽Bf＝2（△fm＋fm）＝2（50＋15）KHz＝130KHz

电视频道使用米波频段（48.5～223MHz，12个频道）和分米波频段（56个频道，470～458MHz，566～606MHz不使用）。92～167MHz、566～606MHz部分供调频广播和无线电通信使用，调频广播使用88～108MHz，其中，88～92MHz频带内可以安排电视频道。38射频全电视信号的频谱如下图所示：

我国电视标准规定：每个频道的伴音载频比图像载频高6.5MHz，频道带宽为8MHz。6.3电视信号的发射与传输39广播电视系统的原理方框图6.3电视信号的发射与传输406.3.2电视信号的差转为了扩大电视的覆盖范围，需要建立转播发射台对电视信号进行转播。转播方式可以分为：2）差转式先解调，再调制，十分庞杂。直接变频放大，不进行解调再调制，线路简单，价格低廉，十分普及。6.3电视信号的发射与传输1）收转式41一次变频式差转机二次变频式差转机特点：收发隔离度比较差，容易产生干扰。特点：有中频放大器，增益较高，工作稳定，设备复杂6.3电视信号的发射与传输42

每个像素占用一条传输通道，把所有像素的亮度信息同时转换成相应的电信号，并同时传输出去。一帧画面分解成几十万个像素就需要几十万条通道。在电路上同时提供几十万条通道是不现实的，因此，同时传输制未被采用。6.3.3电视信号传输1）同时传输制6.3电视信号的发射与传输2）顺序传输制

将景物分解成许多像素后，把所有像素的亮度信息按时间顺序一一传输出相应的电信号，所用的传输通路只需一条。一条传输通路轮流接通每一对相应的光电单元和发光单元。只要轮流的速度足够快，由于人眼的视觉暂留特性，看起来好像是所有的象素同时发光，显示出完整的画面。43

A.要求传送速度快。只有传送迅速，传送时间小于视觉暂留时间（约50~200ms），重现图像才会给人以连续无跳动的感觉。顺序传输的特点：B.传送要准确。每个像素一定要在轮到它传送时才被转换、传送，并被接收方接收。且收、发双方每个像素被转换、还原的几何位置要一一对应。即收发双方应同步工作。6.3电视信号的发射与传输传输通道电视信号的传输通道包括微波中继、通信卫星中继、有线电视、光纤。44微波中继传输

微波中继是电视信号远距离传播的一种方式，通过微波设备多级中继传送（微波链）。6.3电视信号的发射与传输端站1：将电视台送来的电视信号调制到微波上发送出去。端站2：将收到的微波信号解调出电视信号送往电视台。端站1端站2中继站中继站：完成微波信号的转发和分路。有三种：①可以分出和加入信号的主站；②能够分出信号的分路站；③仅对信号进行变频和放大的中间站。微波信号发送机+微波信号接收机+电视调制解调机45①频带宽：可以调频传输，抗干扰。②稳定性好：不受电离层、天电，太阳黑子变化、工业的干扰，质量有保证。③直线传播：视距传播，需接力（高山）。④定向收发：方向性很强的高增益天线。微波中继传输的特点：6.3电视信号的发射与传输微波中继传输是目前各国远距离传输电视信号的主要手段，所有的微波中继站均采用调频方式传输信号。一个微波中继系统由许多中继站组成，进行多波道传输，而每一个中继站的双向波道又各有一套收发设备，这样，就需要正确、合理的选择收发频率。46微波传输的频率分配原则：

使系统内部干扰最小，在给定频段内尽可能安排多的波道，增加通信容量。注意事项：①同一站内，单向波道收、发频率必须分开。②多波道同时工作时，相邻波道要有足够间隔。③合理分配频率，避免镜像干扰。④整个频谱安排应紧凑。6.3电视信号的发射与传输47通信卫星中继传输卫星通信网示意图收发天线；转发器；控制设备；电源卫星电视接收机；馈源系统；低噪声下变频器（俗称高频头）卫星地面接收站6.3电视信号的发射与传输卫星要在地球的同步轨道运动，同步轨道在赤道上空约36000公里处。由于卫星信号强度较弱，频带很宽，要求卫星接收机灵敏度高、噪声小、频带宽、接收天线增益高。48上行站：对来自电视中心的广播电视信号进行处理、调制、上变频和功率放大，通过定向天线向卫星发送上行微波信号。接收站：接收来自卫星的电视载波信号，通过天线把卫星信号变换成中频信号，进行低噪声放大、下变频、中频解调和基带处理。遥测遥控跟踪站：测量、控制卫星的位置和姿态，以及调整转发器的工作状态，是与卫星对话并管理卫星的地球站。卫星：接收来自上行站的电视信号，放大，变频，用下行频率向用户转发节目。卫星电视系统包括：6.3电视信号的发射与传输49通信覆盖面大，距离远，易实现越洋和洲际通信。传输容量大，频带宽。传输质量高，通信稳定。具有多址联结特性。通信卫星中继传输的特点：6.3电视信号的发射与传输50特点：适用于城市地区，规模小、传输距离近、频带少（逐渐增加）。有线电视传输公用天线电视系统CATV（CommunityAntennaTelevisionSystem）电缆电视系统CATV（CableTelevisionSystem）指把室外天线收到的电视信号经放大处理后，用电缆分配到用户，形成电视接收、传输、分配系统。6.3电视信号的发射与传输51有线电视系统包括：前端设备：是核心部分，接收和处理信号，对信号进行放大、频率变换、电平控制以及干扰抑制。接收天线采用单频道天线。

传输系统：采用较粗的同轴电缆；采用均衡器补偿高、低频的不同衰减；采用带自动增益和斜率补偿的放大器补偿由温度变化引起的电平起伏。

信号分配系统：包括分配器、分支器、线路放大器和用户；分配器和分支器是无源器件，对用户接收机起隔离作用。输入输出端要良好匹配。6.3电视信号的发射与传输52光纤传输光通信是用光波作为信息传输载波的通信方式。可以分为有线和无线光通信。光通信是最理想的通信手段之一。通信容量大（载频高，频带宽），损耗小，中继距离长，不受电磁干扰，光纤原料资源丰富。6.3电视信号的发射与传输光纤通信系统包括：光发射端：二次调制、放大、驱动，得到载波光。中继放大器：衰减补偿。光接收端：光电转换，解调。53彩色摄像机将彩色图像分解成红、绿、蓝三基色光，并变成相应的三基色电压（ER，EG，EB或R，G，B），但是，在电视信号的传输中，并不直接传送这三个基色信号。6.3.4传输信号处理6.3电视信号的发射与传输兼容性考虑：彩色电视信号中必须有一个代表图像亮度的信号分量，不能直接传送R，G，B。带宽经济性考虑:每个基色信号占用6MHz不经济。因为每个基色信号中都包含亮度、色调和饱和度分量，所以，它们的线性组合也包含了这三个要素。解决办法就是在兼容制彩色电视中选用亮度信号和色差信号作为传输信号。54亮度信号Y由红、绿、蓝三基色信号线性组合而成：（6-12）利用该电阻矩阵电路可以实现亮度信号的叠加。6.3电视信号的发射与传输

色差信号指基色信号与亮度信号之差组成的信号。基本色差信号有3个，即：（6-13）它们都代表电视信号的色度信息。55①在亮度方程中，EG信号的系数最大，使EG-Y信号比ER-Y和EB-Y信号小得多，从而EG-Y信号抗干扰能力差。从原理上讲，三个色差信号只需传输两个就可以（相互独立的要求），所有的彩色电视广播制式都选用ER-Y和EB-Y进行传输，原因为：②在接收端用ER-Y和EB-Y可以方便地恢复出EG-Y：EG-Y＝-0.51（ER-Y）-0.19（EB-Y），两个系数都小于1，易于实现。6.3电视信号的发射与传输采用色差信号传输除了满足兼容性要求外，还有以下好处：①传送黑白图像时，两个色差信号都为零，色差信号不会干扰亮度信号。②有利于节省色度信号的发射能量，彩色图像大部分面积上色差信号为零。③在接收机中，利用解码矩阵很容易将色差信号还原成三个基色信号。56（6-14）解码矩阵为：6.3电视信号的发射与传输要想在6MHz带宽内传送一个亮度信号和两个色差信号，不进行频带压缩是不可能的。解决办法：大面积着色原理+频谱交错原理57大面积着色原理（高频混合原理）利用人眼对彩色的分辨力比黑白细节低很多的视觉特性，只传送景物中大面积的彩色部分，彩色细节用黑白图像（亮度）代替，这一处理彩色的方式称为大面积着色原理。我国电视标准规定亮度信号带宽为6MHz，色差信号带宽为1.3MHz。这样，在接收端显示的图像是粗线条的彩色图像再附加黑白细节，正好符合人眼视觉特性。6.3电视信号的发射与传输高频混合原理的公式表示：（6-15）58

ER，EB，EGY，ER-Y，EB-YY，U，V(PAL制式)U=0.493(EB-Y)V=0.877(ER-Y)Y，I，Q（NTSC制式）把U，V分量旋转33度6.3电视信号的发射与传输三基色信号59频谱交错原理6.3电视信号的发射与传输信号能量集中在行频fH及其谐波nfH附近一段很小的范围内，在（n－1/2）fH附近没有亮度信号能量，剩下较大的空袭。于是，可以将色度信号的频谱插在亮度信号频谱的空隙中间进行传送，实现在同一个通道内同时传送亮度信号和色度信号的目的。这种处理亮度信号和色度信号的方法称为频谱交错原理或频谱间置原理。亮度信号6MHz

对于慢变化的图像，空隙率达到93.6％，变化较快的图像，频谱空隙率仍达46％。并且随着谐波次数增高，谱线群的能量衰减较快。60亮度信号频谱色差信号频谱调制到副载频fsc上的色差信号频谱，与亮度信号频谱错开半个行频亮度信号和调制色差信号相加后的频谱，即彩色电视信号的频谱6.3电视信号的发射与传输61副载频fsc的选择原则：①fsc必须是半行频的奇数倍：fsc＝（2n－1）fH/2；②使色度信号与亮度信号间的串扰最小；③副载频应与半行频之间有简单的倍数关系，以便电路上容易实现。例：取n＝284，则fsc＝567×fH/2=7×9×9×fH/2≈4.43MHz6.3电视信号的发射与传输电视信号发射机中，用以传送整个彩色电视信号的射频载频称为主载频，用来形成能够与亮度信号频谱间置的色度信号所用的载频fsc叫做副载频。副载频只有1个，而调制的色差信号有2个，所以需要对同一载波的2个不同相位进行两相调制。副载频626.4彩色电视的制式世界各地都采用兼容制（黑白与彩色电视机可以互相收看对方电视台的节目）彩色电视制式，根据将色差信号频谱谱线插入亮度信号频谱空隙中所采用的方法的不同，可以分为：NTSC(NationalTelevisionSystemCommittee)制式NTSC制式（最早）于1954年首先在美国正式使用，还有日本、加拿大等许多国家采用。采用两个色差信号对相互正交的同频副载波进行平衡调幅，相角33度和123度，与亮度信号相加一起传送。为了实现兼容，必须将两个色差信号调制在精确选定的副载频上，所以，色差信号的调制方式应满足：①色度已调波对亮度信号的干扰最小；②已调波的彩色信噪比高；③两个色差信号互不干扰，在接收机中容易分开。63根据以上要求，NTSC制式选择正交平衡调幅调制方式。设调制信号为um=UmcosΩt，载波信号为us=Uscosωt，则普通调幅波的数学表达式为：（6-16）可见，普通调幅波的频谱有三个分量。普通调幅6.4彩色电视的制式64可见平衡调幅波的频谱有两个分量，去掉一般调幅波中的载波分量，不仅使传输功率大为减少，而且在传输黑白图像或细节图像时，色差信号为零，调幅既无边频，又无副载波信号，整个色度信号为零，可以完全消除对亮度信号的干扰。（6-17）平衡调幅是一种特殊的调幅方式，特点是在发送时没有副载波，需要在接收机设置副载波再生电路。所谓平衡调幅就是抑制载波的调幅，简称抑载调幅。其表达式为：平衡调幅6.4彩色电视的制式65该调制方式的特点是将两个色差信号分别对频率相同而相位相差900的两个副载波进行正交平衡调幅，然后与亮度信号相加，一起传送。所谓“正交”是指相互垂直的意思。两个频率相同，相位相差900的正弦波信号，是相互垂直的。将两个调制信号分别对频率相同，相位相差900的两个正交载波信号进行调幅，叫做正交调幅。如果两个调幅信号分别对两个正交载波信号进行平衡调幅，就叫做正交平衡调幅。可以表示为：正交平衡调幅（6-18）6.4彩色电视的制式66NTSC制式的优点：①兼容性好。②图像质量好。③电路简单，信号处理容易。NTSC制式的缺点是：①对相位失真十分敏感，须控制在±100以内；②容易产生明显的色调失真；③对发射端与中间传送设备的性能指标要求高。6.4彩色电视的制式67

PAL(PhaseAlternationLine)制式PAL制式：1967年西德和英国首先采用PAL制式，也是采用色差信号对相互正交的两个同频副载波进行平衡调幅，相角0度和90度。该制式在原来正交平衡调幅和同步检波的基础上，将已调幅的红色差信号进行逐行倒相，克服了NTSC制式的相位敏感性。一般指625线，每秒25帧，隔行扫描。彩色信噪比提高了3dB。根据不同的参数细节，又可以进一步分为G、I、D等制式，我国采用PAL/D制式。

该制式彩色清晰度略低于NTSC制式，信号处理较繁，接收机电路较复杂，是用得最多的一种制式。6.4彩色电视的制式68

SECAM(Sequential

Couleura

Memoire)制式1966年由法国正式使用，以后前苏联、东欧等国家相继采用，也叫顺序传送彩色与存储制式，也是为了克服NTSC制式的色调失真而设计的。SECAM制式对两个色差信号不是同时传送，而是轮流交替传送。另外，两个色差信号不是对副载波进行调幅，而是对两个频率不同的副载波进行调频，然后将两个调频波轮换插入亮度信号频谱的高端。SECAM制式的优点是传输失真小，图像录放性能好。缺点是彩色图像垂直清晰度下降一半。副载波调频信号频谱比较复杂，无法避免色度信号与亮度信号的相互干扰；调频副载波周期不是常数，需要采取特殊措施使相邻两场的副载波干扰光电互相抵消；即使没有色度信号，副载波依然存在，所以，副载波对亮度信号的干扰始终存在。6.4彩色电视的制式69现行彩色电视制式的缺陷：①图像清晰度低，细节分辨力差；画面存在各种串扰，如亮－色串扰，色－色串扰；原因是复合信号传输，亮度、色度共用频带传输，没有完善的亮、色分离措施。②存在并行、行蠕动，行间闪烁，大面积闪烁现象；存在微分相位和微分增益失真，色彩欠柔和；原因是隔行扫描，采用窄带传送色度信号。6.4彩色电视的制式③显示面积不够大，缺少临场感和逼真感；原因是选用的行、场频低。大屏幕电视机中扫描行结构粗糙，闪烁感明显。④模拟制式不利于信息传输、存储、处理和节目交流。70广播电视系统的终端设备是广播电视接收机（电视机）。在电视机里，接收到高频电视信号后，经过一系列与发送端对应的相反变换和处理，恢复出原来的图像信号和伴音信号，分别加到电视机中的显像管和扬声器上，从而再现发送端的图像和声音。6.5电视信号的接收与显示6.5.1黑白电视机原理黑白电视机分为双通道与单通道两种。单通道：图像和伴音的中频通道是共用的，解调之后才将图像和伴音信号分开处理，电路简单，稳定性好，使用广泛。双通道：在混频器之后，把中频图像信号和伴音信号分别送图像通道和伴音通道进行处理，电路较为复杂。71黑白电视接收机的原理方框图同步扫描部分公共通道部分电源6.5电视信号的接收与显示72公共通道①天线收到的欲接收频道的射频信号及相邻频道的干扰信号，由阻抗变换器使其与高频头中输入电路所需的输入阻抗匹配；②经高频放大器放大信号，由本地振荡器和混频器组成的变频器将射频信号变换为中频信号；③中频放大器对图像信号放大60dB左右，并抑制某些特定频率干扰。④视频检波器利用二极管的非线性对图像信号进行峰值包络检波，变换出图像伴音信号，然后由视频前置级分离出图像信号和伴音信号。6.5电视信号的接收与显示图像通道图像信号经视频放大器放大，恢复直流后，输送到显像管，控制电子束的强弱，重现图像。73伴音通道伴音信号经过伴音中放放大，限幅后，由鉴频器解调出原始声音信号，经放大后在扬声器中恢复原伴音。6.5电视信号的接收与显示稳定电路消噪声（ANC）电路用于消除可能出现的大脉冲干扰；自动增益控制AGC（电路）控制中放和高放电路增益，使输出的视频信号稳定在一定的幅度范围内，避免失真和过载。扫描电路产生与同步信号同步的水平、垂直锯齿电流，控制偏转线圈进行扫描。主要包括同步分离电路和行、场扫描电路，还有中、高压电源部分。746.5电视信号的接收与显示6.5.2彩色电视机原理彩色电视接收机原理框图756.5电视信号的接收与显示在彩色电视接收机中，由公共通道送来的全电视信号，在解码器作用下分离出亮度信号、三路基色信号及同步信号。解码器由亮度通道、色度通道、辅助通道和解码矩阵四部分组成。亮度通道：与黑白电视机的图像通道相同。色度通道：由色度放大电路、延迟解调器，同步检波器组成，其任务是从全电视信号中分离出色度信号并经同步解调得到U，V色差信号。解码矩阵：包括色差放大和解码矩阵电路，其作用是把YUV信号通过线性变换形成三基色信号ER，EG，EB。辅助通道：又称色同步电路，其任务是为同步检波器提供规定相位的副载波，使其频率和相位尽可能与发射端一致。76彩条信号重现示意图6.5电视信号的接收与显示776.5.3电视信号的显示图像显示器件（按原理分）：阴极射线管（CRT）、等离子体显示板（PDP）、电致发光显示（ELD）、发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）、真空荧光管（VFD）、场发射显示（FED）、液晶显示（LCD）。6.5电视信号的接收与显示CRT显示器CRT显示器在二十世纪统治地位，其核心器件是黑白显像管或彩色显像管。78黑白显像管

6.5电视信号的接收与显示黑白显像管把电信号还原成光图像，显像管的荧光屏上覆盖荧光材料，受到一定能量的电子冲击时，荧光材料会发出可见光，发光强度取决于电子的数量和速度。只要用代表图像的电信号去控制电子束的强弱，再按摄像时的规律扫描荧光屏，便能完成由电到光的转换，重现电视图像。黑白显像管的结构电子枪电真空

电子枪的任务是产生电流密度很高，截面很小的电子束，电子束的强度可以调节并能在磁场的作用下扫描整个屏幕。79电子枪阴极K栅极M灯丝通电加热氧化物，发射电子调制极，加几十伏负电压，改变电子束的强弱，控制显像管亮度第一阳极A1加速极，加几百伏的正电压，使电子向荧光屏做加速运动第二阳极A2高压极，使电子高速轰击荧光屏第三阳极A3聚焦极，调整电极电压，改变荧光屏上光点大小，使图像最清晰6.5电视信号的接收与显示80荧光屏的结构与功能面玻璃：平面最佳，适于眼睛观察。荧光粉：晶态磷光体微细颗粒沉积而成，厚度选择与颗粒直径相近，约为5～8微米。典型材料：ZnS:Ag或ZnS：CdS:Ag，黑白显像。铝膜：通过电子束，反射散射光线，增大荧光粉发光效率和荧光屏的亮度。荧光屏的发光颜色取决于荧光粉的种类，亮度取决于荧光粉的发光效率、电子束流密度和阳极电压，一般采用加大阳极电压的方法提高亮度。6.5电视信号的接收与显示81彩色显像管彩色显像管于20世纪50年代问世，发展迅速，品种繁多。6.5电视信号的接收与显示生理混色法：当两只眼睛同时分别观看不同的颜色，也会产生混色效应。彩色图像的重现一般是利用空间混色法。时间混色法：将三种基色光按一定的时间顺序轮流投射到同一表面上，只要轮换速度足够快，由于人眼的视觉惰性，分辨不出三种基色，只能看到混合彩色的效果。（顺序制彩电）空间混色法：将三种基色光分别投射到同一表面的相邻三个点上，只要距离足够近，由于人眼的分辨率有限，不能分辨出这三种基色，而只能感觉到它们的混合色。（同时制彩电）826.5电视信号的接收与显示荫罩管工作示意图三基色电压三电子束三色荧光粉A）荫罩管式彩色显像管

三枪三束管，荧光屏内壁有荫罩极。荫罩起选色机构的作用，荫罩孔和三色荧光点对应，荧光屏上每一组三色点相当于一个彩色像素。电子束截面大于荫罩孔，一束电子同时激发好多像素，使图像模糊，为了消除孔阑效应，提高清晰度，三组电子束要足够细。荫罩是打有几十万个小圆孔的金属薄板，厚度0.15mm，孔径0.25mm，电子可以通过这些小孔打到荧光屏上。83B）自会聚彩色显像管一种单枪三电子束管，三个电子束一字排列，栅极、加速极、聚焦极、高压极也开对应的小孔，荧光屏的三色荧光粉及荫罩孔也排成小条状。电子束的自会聚是利用非均匀偏转磁场进行校正，包括桶形场偏转磁场和枕形行偏转磁场。6.5电视信号的接收与显示自会聚管工作示意图84自会聚管对电子束的校正桶形磁场的垂直分量使电子束水平偏移，蓝电子束向左，红电子束向右，向绿电子束靠拢。枕形磁场两旁磁场比中间强，红电子束偏转小，蓝电子束偏转大，红、蓝电子束重合，绿电子束偏转量稍小，与红、蓝电子束不重合。6.5电视信号的接收与显示85CRT的优点：①性能价格比高；②调整分辨力容易（VGA-VXGA-HDTV）；③形状和大小变化很大；④寻址简单（7根导线）；⑤高亮度和高对比度，发光效率高、色彩丰富（1024，全色）；⑥寿命长（10万小时），响应速度高、大规模生产基础，销售量大。6.5电视信号的接收与显示CRT的缺点：①体积大、重量大；②屏面内有光散射，图像有闪烁、抖动、畸变；③最大直观显示尺寸为114cm，无数字寻址；④电压很高（2万伏左右），耗电；⑤图像存储有问题，荫罩彩管内分辨力受限制。86液晶显示器（LCD）6.5电视信号的接收与显示

利用液晶的电光效应，通过施加电压改变液晶的光学特性，造成对入射光的调制，使液晶的投射光或反射光受到所加信号电压的控制，达到显示的目的。

液晶的电光效应是指液晶的分子结构在外加刺激（电场、磁场和热能）下，改变排列方向或者运动发生紊乱，从而改变光学性质。目前，主要是通过施加电场的方式使液晶产生电光效应，达到成像目的。87液晶是介于完全规则状态（固体）与不规则状态（液体）之间的中间态物质。它可以流动，但是在不同方向上光学性质不同。有热致液晶和溶致液晶。根据分子排列形式，液晶可分三种：（1）向列型；（2）胆甾型；（3）近晶型。向列型棒状，粘度小，流动性强，用作显示的主要类型胆甾型层状螺旋结构，添加剂；近晶型排列规则，呈二维流动性，粘度比向列型大。6.5电视信号的接收与显示88动态散射效应：当施加在液晶盒上的电压超过某一值时，液晶分子产生紊乱运动，盒内的折射率随时间而变化，从而使外界的入射光散射。电控双折射效应：施加电场，液晶分子改变排列方向，发生双折射效应。相变效应：施加电场超过阈值时，水平排列变为垂直排列。宾主效应：液晶分子中融合二色性染料，可作彩色显示。6.5电视信号的接收与显示扭曲向列型效应：通过外加电场改变液晶分子的排列方向，是应用最广泛的液晶显示机理。液晶的电光效应896.5电视信号的接收与显示无电场时，检偏器的偏振方向与起偏器平行，但向列型液晶分子连续扭转900，出射光被遮断；施加电压高于阈值电压，液晶分子轴与电场平行，当两侧偏振片方向平行时，出射光透过检偏器。90液晶显示器的特点：①被动型显示：液晶显示器件本身不发光，靠调制外界光显示。6.5电视信号的接收与显示②低压微功耗：3V左右，驱动功率小。⑦交流驱动：直流驱动会缩短液晶寿命。③平板型结构：使用方便，适合批量生产。④显示信息量大：没有荫罩限制，像素小。⑤没有电磁辐射：适合长期工作。⑥响应速度慢：30～200ms。91

液晶成像器件结构使用反复精制的高纯度液晶封入（采用表面张力或压力差法封入，压力差法效果更好一些）玻璃板之间，可以延长液晶寿命，减小特性偏差。1）液晶显示板6.5电视信号的接收与显示透明电极：氧化锡、氧化铟喷镀、蒸发、溅射在玻璃上；密封剂：防止水分进入；间隔垫聚酯薄膜使液晶保持一定的厚度。922）驱动电路简单矩阵驱动方式：“立体电路效应”使相邻像素信号产生干扰，而“交叉效应”降低了图像对比度有源矩阵驱动方式：有源矩阵驱动通过在扫描电极和信号电极交叉处安装薄膜晶体管开关或非线性元件，可以改善图像对比度和清晰度。6.5电视信号的接收与显示信号电极扫描电极半选择点选择点薄膜场效应晶体管驱动（ThinFilmTransistor,TFT）扫描电极信号电极开关晶体管液晶像素电容液晶像素电阻TFT驱动为每一个液晶像素配置一个开关晶体管，晶体管接近理想开关，各个像素之间寻址完全独立，从而消除了液晶像素之间的交叉串扰。936.6数字电视系统6.6.1

数字电视（DigitalTelevision）数字电视（DTV）是从模拟电视发展过来的，但是内涵远远超过电视本身。数字电视是指一个从节目摄制、制作、编辑、存储、发射、传输，到接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视系统。数字电视最大的特点是电视信号以数字形式进行广播，其制式与模拟电视广播有本质不同。其意义在于数字电视广播系统成为一个数字传输平台，不仅改善节目制作和传输质量，提高信道利用率，而且还可以提供其他增值服务。比如数据广播、电视购物、电子商务、软件下载、视频点播等，为“三网融合”提供技术上的可能性。94信道视频视频编码节目复用1N传送复用信道编码调制器调谐器解调器信道解码解复用数据音频音频编码数据音频解码视频解码显示器扬声器数字电视系统的结构框图6.6数字电视系统通常情况下，编码码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传输的形式。通信原理上叫做信道编码与调制。为了克服传输过程中的误码，针对不同传输媒质，必须设计不同的信道编码方案和调制方案。95①数字传输不会产生噪声累积，抗干扰能力强，收视质量高；数字电视的优点：②彩色逼真，无串色，不会产生信号非线性和相位失真累积；③实现不同分辨率等级的接收，适合大屏幕及各种显示器；6.6数字电视系统④可移动接收，无重影；⑤可实现数字环绕立体声，同时还有多语种功能；⑥增加节目频道，减少传输成本；⑦易于加密/解密和加扰/解扰处理，便于收费业务；⑧大大改善节目保存和复制质量；⑨特技提高观赏性和娱乐性；⑩从被动收看到交互收看；多种信息服务。966.6.2高清晰电视（HighDefinitionTelevision）高清晰度电视是一种电视业务，国际无线电咨询委员会（ITU-R）给高清晰度电视的定义是：

“高清晰度电视是一个透明的系统，一个视力正常的观众在观看距离为显示屏高度的3倍处所看到的图像的清晰程度，与观看原始景物或表演的感觉相同”。即图像质量的效果可以达到或接近35mm宽银幕电影的水平。6.6数字电视系统高清晰度电视的特点：①图像清晰度在水平和垂直方向均是常规电视的2倍以上；②扩大了彩色重显范围，使彩色更加逼真，还原效果好；③具有大屏幕显示器，画面幅型比从常规的4：3变为16：9，符合人眼的视觉特性；976.6数字电视系统④配有高保真、多声道环绕立体声。高清晰度电视有模拟和数字两种，但现在HDTV一般指数字高清晰度电视。从清晰度