第四章电视摄像与发射系统

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4.1广播电视系统的组成

4.2电视摄像机

4.3摄象器件

4.4电视图像信号的处理

4.5同步信号的形成

4.6PAL全电视信号的形成

4.7电视信号的发送

在学完前三章关于黑白与彩色电视传象的基本原理后，从本章至第五章将要介绍电视摄象、发送、接收技术的一般原理。本章着重介绍电视信号的摄取、处理和发送等技术；第五章则介绍电视信号的接收技术。§4.1广播电视系统的组成电视可分为广播电视与应用电视两类，其中广播电视发展得很早、最成熟和最完备。为了学习的方便，本章与第五章以广播电视系统为例，来介绍电视发送和接收技术的基本原理，毫无疑问，这些原理对应用电视也是普遍适用的。图4.1-1示广播电视的发送和接收系统方框。发送系统主要包括各种电视信号源、信号处理与发射设备，接收系统主要包括天线和接收机。大多数应用电视系统不需要发射设备，直接通过电缆将电视信号传送给终端显示设备。电视信号源主要有三种：①电视摄象机，它能将活动图象直接转变为电视图信号。②飞点扫描器，它能将文字、图文（包括透明和不透明的幻灯片）以及活动电影片转变成电视图信号，它可以用来插送字幕、静止图象和放映电视电影。③利用电子合成技术产生电视信号、例如电视测试信号发生器、此外，录象机，现场实况转播车，转发卫星，城市间、国际间的微波中继线路也能提供各种节目的电视信号。将上述各种电视信号送到导演台，节目导演通过视频信号切换开关选出所需要的一种或几种电视信号，送到线路放大器进行放大和处理后，再由图象发射机将电视图象信号进行调制与放大，形成高频电视信号送到电视发射天线，以电磁波的形式发射到各地的电视接收天线上。电视接收机再将天线感应的高频电视信号，进行一系列与发送系统相反的信号处理与变换，使之变成R、G、B三基色信号，在显象器件上重现出电视图象。§4.2电视摄象机电视摄象机是一种景物图象变换成电视信号的装置。它是电视系统中的关键设备，其性能之优劣，直接影响最终电视图象的质量。摄象机采用的摄象器件分为两类：摄象管理和固体摄象器件。它们都是利用某一种光电效应，使图象的光信号转换成电荷，构成相应的象素并在微小电容中暂时存贮。摄象管利用电子束对象素进行扫描，读取电荷形成电视图象信号；而固体摄象器件采用固体扫描方式读取象素的中电荷。按摄象机的功能，可分为黑白摄象机和彩色摄象机两类。彩色摄象机又分为单管（片）、两管（片）、三管（片）三种形式。单管式彩色摄象机有频率分离式、相应分离式、三电极式和阶梯能量式等多种方式。广播电视普遍采用三管（片）式摄象机；由于单管（片）彩色摄象机具有体积小、重量轻、价廉、调整方便等优点，故在应用电视中得到迅速的发展和应用。下面着重介绍三管（片）式彩色摄象机的工作原理。4.2.1三管（片）式彩色摄象机图4.2-1为三管式彩色摄象机组成方框图，它主要分为三部分：①机头部分；②视频图象信号处理；③编码器，彩色同步机和彩条发生器。过去这三部分是分开的，机头部分自成一体，并放置在活动的三脚云台上，由摄象员操作拍摄；后两部分设置在固定在机柜内。随着小型化的发展，当前的便携式摄象机上已能将这三部分合成一体了，其重量与体积都不超过原来的摄象机头。摄象机头主要由摄象机的光学系统，摄象管及其附属电路，寻象器等组成。彩色景物的光象由变焦距镜头摄取，通过中性滤光片（为得到适宜的光通量）和色温滤光片（将不同的照明光源的色温转换为摄象机所要求的色温）后进入色棱镜，被分为解为三个基色光象，并分别投摄到相应摄象管的靶面而转换成电图象。管内电子束在偏转与聚焦系统作用下，实现良好的聚焦与扫描，从而获得符合一定扫描标准的随时间而变化的电信号。然后，三路微弱的电信号经各自预放器放大，再送到视频信号处理电路进行加工与处理。视频信号处理电路主要包括输入放大、增益调整、电缆校正、黑斑校正、彩色校正（线性矩阵电路）、轮廓校正、黑电平控制及杂散光补偿、γ校正、消隐混合等各级电路。经上述电路放大处理后输出的红、绿、蓝三基色信号还必须送入编码器，编制成需电视制式的彩色全电视信号。绝大部分彩色摄象机都配置了彩色同步信号发生器，由它产生基准副载波和各种同步信号，供机头、视频处理与编码器三部分使用，这样使摄象机单独使用（配彩色摄象机）特别方便。若要与其他摄象机中信号源在整个电视系统中联合使用，还必须附加专门的外同步锁相电路，使本机同步信号发生器与外同步信号（系统统一供给）锁相。另外，在摄象机内还附设彩条发生器和专用测试信号发生器，供调整与维修使用。为了取景并随时掌握摄象机工作状态，每台摄象机上还附加一台寻象器。寻象器分光学型与电子型两类。光学型寻象器类似照相机上的取景器；而电子型寻象器实质上是一台小型的电视图象监视器，它利用摄象机本身输出之信号，在寻象器的显象管荧光屏上显示出图象，这样既作为取景器用，同时也监视了摄象机电路的工作状态，并随时加以调整。目前常用的显象管屏幕的尺寸有1.5、3、5英寸等三种规格。图4.2-2示出由固体摄象器件组成的三片式彩色摄象机的方框图。它与三管式彩色摄象机相比，具有大体相同的结构形式。它主要由摄象机的光学系统，固体摄象（CCD）器件，视频信号处理电路和编码器等部分组成。4.2.2摄象机的光学系统摄象机的光学系统变焦距镜头、分色棱镜、中性滤光片和色温滤光片组成。它的主要作用是把被摄景物的彩色光，分成红、绿、蓝基色光，并成象在相应的摄象管靶面上。对于两管和单管彩色摄象机而言，色分解主要是由封装在摄象管靶面前的滤色条及有关电路来完成。一、变焦距镜头变焦镜头是一种能任意改变焦距而成象面位置固定不变的镜头。由于焦距变化使放大率或视场角改变，这样在拍摄过程中，对景物图象取景大小可任意连续变化，增强了艺术效果。变焦镜头是由许多单透镜所组成。如图4.2－3所示，即为最简单的由两个凸透镜形成的组合透镜。设透镜1和透镜2的焦距分别为f1和f2，相互间的距离为d，则组合透镜的焦距为f，其大小取决于f1、f2和d，相互关系式为：由上式可知，只要改变d的大小，就能使f相应变化。现在再举一个简单的例子，若一个凸透镜（f1＝+1）与一个凹透镜（f2＝－1）形成组合透镜，则按式（4.2－1）可知，该组合透镜的焦距f＝1/d，焦距直接与d成反比，故只要改变两透镜的相对位置，就能很容易地改变焦距。这就是变焦距镜头的最基本的原理。设计时把一个单元透固定，另一个单元透镜相对前一个单元透镜移动，以改为d。这样做的结果，虽然f发生变化，但成象面的位置也相应的有所变化。为了固定成象面位置，还必须再增加第三单元透镜并相应一起移动。因此，实际使用的变焦镜头至少要有三组单元透镜，即调焦组、变焦组和象面补傍组。若要增长后截距，还需要增加第四组－物镜组。二、分色棱镜1.分色棱镜图4.2－5所示的分色棱镜由（A）、（B）和（C）三部分粘合组成，其中在Mr和Mb面上分别蒸涂上不同厚度的干涉薄膜。当光线F投射到Mr面上时，能把红光R反射出来而让其它光透过。反射出来的红光投射到界面（1）上，因入射角较小，超过临界角而发生反射，于是R光经Fr射入R摄象管。透过Mr面上光到达Fb面时能把蓝光B反射出来而让余下的G光透过，反射出来的B光在界面（2）上全反射后穿过Fb而到达B摄象管。透过的G光经（C）部分穿过Fg到达G摄象管。光线在介质中所走的路程与介质折射率的乘积称为光程，R、G、B三路的光程应严格一致。Fr、Fb、Fg来进一步校正。2.分色原理干涉膜Mr和Mb所以会射出某些波长的光而透射其他波长的光，其原理可由图4.2－6说明。图中折射率为n0、厚度为d的干涉膜涂在折射率为n2的玻璃了。入射光从折射率为n1的空气中进入干涉膜的第一界面（1）时反射光为F1；透过的光在第二个界面（2）上又受到第二反射，该反射光透第（1）界面（也有一部分反射）进入空气的光为F2；如从C点向F1作垂线交于D点，并以C、D两点为基准。光束F1所走的光程n1.AD，显然比光束F2所走的光程n0.（AB＋BC）短，其光程差（4.2－2）经过几何变换并在》条件下，可得到（4.2－3）式中，α为光线进入薄膜的入射角。根据光的波动理论，当两束光相位相反时，迭加后相互换消，故合成幅度最小；而相位相同时，合成幅度最大。因此，当式（4.2－3）中δ＝λ2时，F1和F2相互抵消，反射光为零，即几乎全部透过；当δ＝λ时，F1和F2加强，反射光幅最大，透射光几乎为零。这样，如n1、n0和α等均固定，则只要选择适当的膜厚d即可达到所需要反射光的要求。三、色温校正和中性滤色摄象机的光谱性曲线的设计和白色平衡的调整，都是对一定色温的照明而言的。目前摄象机都是按3200K照明色温设计的，它的白色平衡是按D65白色要求调整的。因此，在摄象机光学镜头中，都加有把3200K转换到6500K的D白色的色温转换。但在实际工作中，照明光源是变化的。如室外自然光照在早、中、晚，阴、晴天时，色温都不一样。这时，如用摄象机去拍摄任意色温照明时的景物，会产生严重的彩色失真。为了使摄象机在不同色温光照时，摄取的景物与3200K光照、平衡于D65白色时一样，必须对由于色温不同而引起的光谱能量分布的变化进行补偿。通常在摄象光学系统中加入色温校正滤色片，它具有一定的光谱特性。它刚好能补偿色温变化引起的光谱特性误差，把不同温的照射光源，转换到3200K色温光源。例如，把4800K的照射光转到3200K的滤色片呈浅桔色。一般摄象机都有几片色温滤色片，以适应不同光照时的色温转换要求。当摄象管在强光下工作时，应减少光圈。但有时为了达到一定艺术效果，不允许减少光圈，这就需要在光路中加入减少光量的衰减器，即中性滤色片。其常用的透光率有100％、25％、10％、1.5％数种；而光谱响应特性应当平直。§4.3摄象器件摄象器件主要分为摄象管和固体摄象器两类。它们都是利用某种光电效应，使输入的光转换成电荷，构成相应的象素，并在其微小的电容中暂时存贮和用扫描方式读取存贮在象素中的电荷而形成电视图象信号。但不同的是摄象管采用电子扫描方式，固体摄象器件采用固体扫描方式。在物质中，使外照光产生电效应的现象称为光电效应。它又分为外光电效应和内光电效应两种。外光电效应是指当光入射到光电面上，则在真空中发射出光电子的现象，超正析象管中就是利用此效应。内光电效应是指经光照射后在固体内部产生电的现象，在光电导型摄象管中就是利用由于光的作用而使用固体（靶面）电导率变化的所谓光电导现象摄象器件品种繁多，但可进行如下分类：摄象管固体摄象器件限于篇幅，本书主要介绍有关彩色摄象机所使用的光电导型摄象管和固体摄象器件。光电导型摄象管也有好多种，按靶面光电导材料的不同常用的光电导管有硫化锑光导管（Sb2S3作靶面，称为Vidicon，即视象管），氧化铅光导管（PbO作靶面，称Plubicon或Leddicon）、硅靶光导管（Si二极管阵列作靶面，称Sidicon）硒化镉光导管（CdSe作靶面，称Chalnicon）等。但就工作原理而言，它们都是利用光电导现象工作的。下面以视象管和氧化铅管为例说明光电导摄象管的工作原事理。4.3.1视象管一、结构视象管是空器件，它主要包括光电靶和电子枪两大部分。管外套有偏转、聚焦和校正线圈，利用它们产生的磁场来实现管中电子束的偏转、聚焦和方向校正。其剖面原理图如图电子枪包括灯丝、阴极、控制栅极、加速极（第一阳极）和聚焦极。阴极被灯丝加热，发射出电子束。由阴极，控制栅极、加速极和聚焦极组成电子透镜，能起辅助聚焦作用，使电子束会聚成细束。聚焦线圈能起主聚焦作用，使电子束按螺旋形轨迹前进，从而使电子束聚焦于靶上的一小点。聚焦线圈具有足够的长度。以便保证聚焦磁力线和靶面垂直，有利于电子束垂直上靶。在靶前有一个抑制栅网（一般与聚焦极相连），由于靶电子低于栅网电压，在靶前形成一个均匀的减速电场，有利于电子束垂直上靶，提高摄象管的清晰度；但靶面边缘部部清晰度仍较低，信号电流也较弱，影响图象的均匀性。把抑制栅网与聚焦极会开，并使其电压比聚焦极电压提高60％，这样不仅克服了上述两个缺点，而且分离网结构的摄象管总的清晰度比不分离的还有所提高，故目前普遍采用。电子束上靶后在靶面进行光电转换，形成图象信号。偏转线圈使管内形成一个偏转磁场，在该偏转磁场的作用下，电子束进行周期性的行、场扫描运动，顺序取出靶上各点（象素）的信号。由于制造和安装的误差，使电子束与管轴可能不完全平行，这会影响电子束的聚焦和垂直上靶。为此在视象管外靠加速极附近，装有两对相互垂直的校正线圈。通过调节线圈中电流，使它们产生的合成磁场方向在360°范围内变化，因而，可使电子束运动方向校正到与管轴平行。光电靶面结构如图4.3（b）所示。在前面板玻璃内侧涂以薄薄的透明电极（SnO2）,又称奈塞膜，由互电极引出图象信号。在此信号电极面板上再蒸涂上1～2um厚的Sb2S2光电导层。由硫化锑光敏半导体材料制成的靶虽然是一个整体，但是由于电子束的扫描，客观就把靶面分成数十万个象素（对我国的625行制式，靶面可分解为48×104个象素）。由于光电导层的面电阻率很高（1011～1012W.cm），可以认为每是独立的（见图表4.3-3)；每个象素都可以看成一个光敏电阻与一个小电容（1.3×10－2PF）的并联。这个小电容C称为存贮电容，其值不随光照变化，但光敏电阻R则随光照度变化而改变其电阻数值。二、光电导原理一个光子的能量W＝h.f，式中h为普朗克常数，其数量随光波频率f升高而增大。当光照到光敏半导体上时，处于满带中的电子吸收光量子，增大能量就能跃迁出禁带到达导带成为自由电子（一部分被禁带中的陷阱所俘获），而在满带中留下空穴，即产生了载流子，如图（4.3-2）所示。光照越强，产生载流子也越多。在宏观上表现为半导体的电导率增大，载流子的产生和复合是不断进行的。当光照一定时，产生和复合最后达到平衡。光照越强，载流子浓度越高，电导率越大；反之，光照越小，电导率越低。在无光照射时，由于热敏励也有少量电子跃迁禁带，而形成电导，这称为暗电导。当光照停止后，载流子复合尚要继续一段时间，才能达到新的平衡，即电导率的恢复有一段带后时间，这称为光电导惰性。由于光电导惰性，将会产生余象，这是光电导管的主要缺点。三、电视图象信号的产生现代的电视摄象管产生图象信号都是基于电荷储能原理（ChargeStoragePriciple）图4.3－3视象管的等效电路图，信号产生过程大致分为两步：1.电光象到电荷象－电荷的储能过程被摄景物通过光学镜头成象于电导靶的外侧，由于光电导原理，靶上各点电导随光照强度变化，光照越强的象素点，其等效光敏电阻越小。假设在靶面上取三点（暗、灰、亮）象素，暗点电阻R＞1012W，亮点的R＜1010W，灰点的R适中值。开关S等效为电子束扫描，电子束扫到该点（单元靶）时，即S台上；离开时，S断开。在电子束扫过某一点的瞬间，RC等效电路与靶电源电压＋E和阴极接成路，电容被充电，RC等效电路左端电位上升到＋E，右端为阴极电位（一般为0电位）。当电子束离开后，电容通过电阻放电，放电速度由电阻R大小决定，在两次扫描的时间间隔（1/25称）内，由于放电，使右端上升一个DE，其大小与R有关。如图4.3－3所示的亮点处，由于电阻小，放电快，则在两次扫描间隔内，DE的上升量大；而暗点处，由于电阻大，则DE小。于是，在一帧的扫描时间内，靶面的右侧就形成了一幅与光象的亮暗分布相对应的“电位象”，如图4.3－4（a）所示，这就时电荷的储能过程。2.信号的拾取过程当电子束再扫描靶面右端各象素时，由于右端各点的电位和阴极K的电位不相等，所以电子束要给象素的等效电容C再次充电，使靶面右端各点的电位与阴极K的电位抹平。该充电电流经负载RL形成图象信号，其值为式中，Rb为电子束的等效电阻，约为10MW＞RL。由此可见，电子束扫描亮点象素时，I较大；扫描暗象素点时，I较小。实验表明：输出信号电流I近似地正比于该象素点的亮度B，上述信号拾取过程如图4.3－4（b）所示。在图4.3－3中，输出的图象电压信号为负极性图象信号。综观上述图象信号产生的过程，由于S断开时间是一帧时间，因此可以认为，在这一帧时间内，电容C把靶单元产生的电量以电荷移动的形式存贮起来。到临将扫描前，存贮的电荷量到达DEC；等到扫描时，把积累起来的电荷量集中利用，这就是电荷储能原理。现代摄象管就是利用这一原理来增强给出图象信号，从而提高摄象管的灵敏度。在无光照时，也存在暗电导，因此无光照象素点也会产生暗电流。由于材较的不均匀，各点的暗电流大小不一而形成黑斑现象（Shading），因此需设置黑斑校正电路，加以补偿和校正。四、视象管性能视象管具有较高灵敏度和分解力，能满足对电视摄象管的基本要求。它体积小，结构简单，使用方便。其主要缺点是惰性大和暗电流大。视象管中存在两惰性：一是光电导层体的惰性，即当光照消失或减弱后，载流子的复合需要一定时间，才能达到新的平衡，表现为信号电流的变化滞后于靶面光照度的变化，称为记录惰性。另一种惰性是电子扫描象素时，给象素电容的充电时间常数τ充＝（RL＋Rb）.Clu较大，使电子束在一次拾取期间还来不及完全抹平靶面内侧（即靶面右端）的电位起伏，亦即抹平正电荷图象，从而使后继拾取图象的电信号中包含先前的信号分量，这称为电容性惰性或拾取惰性。这两路惰性在电视图象上均表现为残留以前几帽图象的余象。对于图象中的快速运动的物体，余象更加明显，从而使图象的清晰度和对比度下降。分析表明，后者比前者者的影响更为严重。暗电流造成的黑斑影响较大，需要在图象中加入与黑斑波形成相反的信号去抵消它的影响。正由于视象管存在上述缺点，对于要求较高的广播电视摄象系统不能采用它。它通常用在要求不高的应用电视系统。4.3.2氧化铅管由于视象管的惰性大的暗电流高而不稳定，限制了它在彩色电视中的应用。为了克服上述缺点并进一步提高灵敏度，1963年研制成功了氧化铅管，并在彩色电视中的得到了最广泛的应用。目前广播电视用的彩色摄象机几乎毫无例外地采用氧化铅管。一、结构氧化铅管除光电靶与视象管不同外，其余结构和工作原理均与视象管相同。氧化铅管的光电靶如图4.3－5所示，它在透明导电膜上蒸镀了三层氧化铅薄膜。其中间一层是厚10～20um的纯净的PbO本征层，称为I层；在扫描侧是掺有杂质的N型PbO层，称为N层。P层和N型极薄，光电转换主要在I层进行，这三层构成PIN二极管结构。由于上述结构，氧化铅管比视象管的惰性和暗电流要小得多。其原因如下：1.由于N层和P层电阻率很低，I层电阻率却很高。靶压通常为45伏，将全部加在I层上，因此I层内部的电场强度很高（45V/15um＝3×106V/m）。I层内受光激发所产生的载流子，在强电场作用下，以极高的速度通过I层，到达靶内侧面，渡越时间越短，复合的机会就减少。因此，在I层中由光激发出来的载流子几乎全部参加导电，故光电转换效率发挥充分，其灵敏度比视象管高。载流子渡越时间短本身就意味着记录惰性小。另外由于I层较厚，使电容性惰性也小，但是靶厚却使其分辨力略低于硫化锑管。，2.由于靶上加有＋45伏电压，对PIN二极管来说是反向偏置，光电导管的暗电流就是通过这个反偏二极管的反向电流。它的数值非常低，只有0.5～1.5nA。由于暗电流小，所以PbO管的信号杂波比（S/N）高，黑色电平匀稳定，无黑斑效应。对彩色电视图象的底色调整十分有利，很适于在彩色摄象机中。二、低照度下的惰性与背景光的加入尽管氧化铅管靶中I层较厚，相对于视象而言，电容惰性较小，但是由于I层的电阻率高，介电系数大，其电容惰性仍较严重。在低照度下，靶内侧面形成的电位起伏较低，几乎与摄象管极电位接近，故靶内侧电位对着靶的电子束具有一定的排斥力。加上氧化铅管也采用了慢电子束扫描，电子束到在靶面时的速度已接近零，因此多数电子不能上靶，只有少数能量较高的电子能够上靶。这样，一次扫描不能把靶面上的电位抹平，需要多次扫描才行，从而造成余象。为了克服照度下的惰性，常用的方法是加入背景光，即向靶面投射一层均匀的光，人为的提高靶面电位，使电子束容易上靶，从而使余象得以消失。加入均匀的背景光，相当于增加了输出图象信号中的直流分量，这很容易从图象信号中去掉。新型的氧化铅管中就带有加入背景光的装置，图4.3－6示出两种带有加入背景光装置的氧化铅管的结构。三、高照度下的惰性与抗彗尾电子枪对应于高亮度的物体，氧化铅管的电容性则以另外一种表现出来。在高照度下，靶面内侧出现很高的电位。由于扫描电子束不足，一次扫描不能抹平这些高电位，结果，在每次扫描后都有一部分高电位残存下来，从而造成余象。另外，在靶面内侧，这些高亮度象素点的电位很高，将吸引周围的电子，其作用相当于高电位向外扩散。所以，从静止物体的图象来看，就会出现高度面积向外扩展、渗透的所谓“开花现象”，如图4.3－7所示。若为运动物体，则在高亮度部分的后面出现一条扩展的彩色拖尾，称为彗星尾。采用抗彗尾电子枪ACT（AntiCometTail）和自动电子束最佳（ABC）电路可以克服上述现象。前者是采用特殊结构的电子枪，能在扫描逆程期发射出很强的电子束，从而能把经正程扫描后在靶面上残存的电位全部抹平；后者则是利用摄象管外的电子束控制电路，根据入射光通量来控制摄象管的栅极，将电子束的电流控制在适当的数值范围内，保证一次扫描能将靶面内侧的电位全部抹平。综上所述，氧化铅摄象管由于采用了高效率的光电材料，设计了新型的靶面结构，并且把高、低照度下的惰性减少到一个允许的程度，从而使它成为一种性能比较理想的摄象管，因此在彩色电视中获得了广泛的应用。四、氧化铅管的主要性能1.灵敏度由于在PbO管的I层内部形成高达3×106V/m的高电场，入射光激的载流子几乎全部参与导电，使光电转换效率得到充分发挥，光电灵敏度可达400uA/1m,。1英寸靶面的摄象管输出0.3uA信号电流时靶面照度只需4LX。2.光电转换特性当靶压为定值时，输出电流与靶面照度的关系曲线称为摄象管的光电转换特性。通常用表示。PbO管的γ值为0.85～0.95，近似为1。所以其光电转换特性为一条45°的直线，如图4.3－8所示。由于这一特性，因而使得在彩色摄象机易于满足不同电平的彩色平衡。3.光谱特性摄象管的光谱特性表示输出信号电流与入射光波长之间的函数关系，而光谱特性决于靶材料和结构。不同波长光的光电转换特性是不一样的，光电转换失去效应的波长λ称为截止波长，而λ＝hC/Eg上式中，h为普朗克常数，C为光速，Eg为光电材料的禁带宽度。因PbO的Eg＝2.0电子伏特，故λ＝620nm。显然，对红色管来说是不够的（应为700nm）。为此在I层内掺入禁带宽度仅为0.4电子伏特的PbS使红管的截止波长λ得以扩展，这种摄象称红色增强管，如摄象管XQ1025R。波长较短的蓝光，因受靶中N层的吸收，进入I层时已较弱。为了不致过多的影响灵敏度，蓝管的N层应做得较薄。彩色摄色机对红（R）、绿（G）、蓝（B）三种管子的光谱特性有不同的要求，所以PbO管的R、G（L）、B管是专用的，在管脚都有注明，使用时应予注意。图4.3－9中示出红、绿、蓝三种PbO管的光谱特性。4.分解力摄象管对景物细节的光电转换能力称为管子的分解力。它不仅与光电靶的材料、结构有关，而且与扫描电子束的聚焦有关。通常用调整特性来表示电视摄象管的分解力。如果被摄图象为黑白线条，且每对线条的亮度变化幅度都一样，则管子输出信号幅度变化的相对值（或称调制深度）与线条对数（也就是黑条与白条数，或称线数）的关系曲线即为调制特性。调制特性也可以表示为调制深度与频率的关系曲线（625行扫描标准中，5MHz对应为400线）。图4.3－10为一组1英寸氧化铅管的调制特性曲线。图中曲线表明，随着频率或线数的增加，调制深度将降低。还可以看出，蓝管的调制大于绿管，红管为最低。因为，光电层对短波长的光吸收得快，这样波长最长的红光因吸收得最差，便扩散得厉害，散射造成了分解力的降低。4.3.3固定摄象器件摄象器件应同时具有光电转换和扫描两种功能，能将空间光学信息变换成电信号。利用某种光电效应使之产生与光输入相对应的电荷，这些电荷暂时贮存在构成象素的微小电容内，然后进行扫描读出。在真空摄象器件中，在象素电容中贮存的信号电荷用固体扫描方式读出。固体扫描有三种方式，它们的代表性器件如表4－1所示。下面对XY寻址方式和信号转移方式的固体摄象器件分别加以介绍。电荷耦合器件（ChrageCoupledDevice）简称CCD，它是采用信号转移方式，本节以CCD器件作为重点加以介绍。表4－1几种不同扫描方式及典型器件扫描方式

典型器件

XY寻址方式用移位寄存器顺次开关

MOS型金属氧化物半导体

CID型电荷注入器件

信号转移方式（具有自扫描功能）

FT－CCD型帧转移电荷耦合

IF－CCD型BBD型行间转移电荷耦合叠成器件

诱发转移方式

CPD型电荷诱发器件

一、采用XY寻址方式的MOS型固体摄象器件图4.3－11是采用了XY寻址方式的MOS型固体摄象器的原理图。其光电转换利用PN结光电效应。当光入射某个象素所对应的光敏二极管（例如D22）上，就在与其并联的微小电容（C22）上存贮电荷而形成信号电压。它的信号读取是采用XY寻址方式的。图4.3－11所示器件具有3（V）×4（H）＝12个象素，各MOS晶体管Qh1～Qh4、Q11～Q34在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起着开关作用。假设Qh2和Q22导通，由于光射敏二极管D22而在电容C22上形成的信号电压，就与外电路负载RL和电源E接通，从而在负载RL上形成信号电流，即得到视频图象信号的输出。二、CCD固体摄象器件1.CCD的基本结构与信息存贮电荷耦合器件和半链器件（BucketBrigadeDevece简称BBD）同属于电荷传输器件（CID）它们的工作机理相同。都是在金属－氧化物－半导体（MOS）技术上，通过存储和控制电荷运动而起作用的一种新型半导体器件，其基本结构包括半导体材料（如硅），氧化物（如SiO2）金属电极三层，图4.3－12示出CCD一个电极的基本结构。假定采用的衬底是P型硅，也就时说，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。当正偏压加到金属电极上时，空穴被推离半导体表面，形成多数载流子耗尽区。而在P型硅和SiO2界面上电子浓度增加，形成电子势阱，所加正偏压越大，推离空穴的作用就更加强烈，电子势阱越深。2.电荷转移原理图4.3－13中加在电极A上的电压产生一个表面电位，它可以改变半导体表面的类型。当在电极B上加一更大的电压时，则在电极B的下部就产生更深的位阱。于是，少数载流子就从A流到B，从而完成了电荷的转移。利用CCD的电荷转移原理可以做成移位寄存器。现以三相CCD器件为例，图4.3－14（a）为三相二位CCD器件简图，仍用P型Si作衬底。六个电极排成一行，并分别接到V1、V2、V3三个时钟电压（如图4.3－14（b）所示）上。在t=t1为高电位，V2、V3均为低电位，加有V1电压的A和D两个电极下的势阱较深，少数载流子（电子）聚积在电极A和D下面的势阱中。在t2～t3期间，V1电位下降，V2为高电位，V3为低电位，电子A和D的势阱变浅，电极B和E下面的势阱变深，少数载流子向势阱B和E移动。当t=t3，V2为高电位，V1和V3为低电位，电荷转移结束，A和D势阱中少数载流子全部转移到B和E势阱中。周期性重复上述过程，就可以使A、B、C、D势阱的电荷包（少数载流子）转移到最后一个势阱F中，并通过CCD的输出结构（图4.3－14（a）中末画出来），输送到外部电路。3.光电转换原理图4.3－14所示器件用图4.3－15的一组时钟来驱动，就可作为摄象器使用。在Tint时间范围内，V1处于高电平，而V2和V3处于低电平，两个V1电极下产生了势阱。设想有一个幅图象照在器件上，在D电极附近是强光，而在A电极附近是弱光，只要落到器件上的光子下的势阱中。因为D电极附近的入射光较强，所以D电极下的势阱的收集的电子较多。在Tscan期间，电荷包被传输到输出端，给出图4.3－15中的输出信号，其大小与入射到器件相应位置上的光强度成正比。这就完成了光电转换。入射光的加入方式有三种：①在每个单元的中心电极下开很小的孔，入射光直接照在硅片下部。②硅衬底作得很薄，使光从背面入射。③从正面入射，经过不透明电极之间的间隙进入器件，或采用多晶体透明电极，使光直接入射。摄象器件为分线阵摄象器件（如图4.3－14所示）和面阵摄象器件，后者是由若干行线阵CCD排列在一起组成。对于面阵摄器件如何读出图象信息呢？4.信息读出方式面阵CCD器件常采用帧转移（FT）和行间转移（LLT）两种方式来读出图象信息，如图4.3－16所用。图（a）帧转移方式，其详细电路结构如图4.3－17所示。这种器件由象素数量相同的受光部（摄象区）和存贮以及水平移位寄存器和输出电路组成。在某一场周期内，对应光的输入在受光部所产生的信号电荷，用附加在三相电极上的交迭脉冲在场消隐期间内一一对应地平移到存贮部。在下一场正程期间，受光部又对下一场的光照产生的电荷进行积累。存贮部结构与受光部相同，它存贮上一场的图象信号，并在行消隐期间内，在其三相电极上，加上一个周期性的三相交迭行步进脉冲，使存贮区的信号每经过一行的时间，便向水平移位寄存器平移一行。水平移位寄存器也是三相操作，在行正程期间，它的三相电极上附加水平传送交迭脉冲，使一行的图象信号通过输出电路顺次输出。该方式的优点是整个受光部进行光电转换，故灵敏度较高，并容易防止晕斑现象（Blooming），时钟电路也简单。但是，由于受光部和存贮部面积相同，故器件表面尺寸较大。图4.3－16（b）为行转移方式CCD，这种方式的光敏单元彼此分开，有可能取得较高的空间频率响应。各个光敏单元的信号电荷，通过转移到不照光的垂直方向的转移位寄存器中。在行消隐期间，每个垂直转移寄存器顺次向水平移位寄存器转移一个光敏单元的电信号，在行扫描正程期间，水平移位寄存器将顺序输出一行的图象信号。返回目录§4.4电视图象信号的处理在4.2.1节中曾介绍了三管式彩色摄象机的电路结构方框图，从摄象机取出的微弱信号电流，在进入编码器前，必须经过一系列的放大、补偿等处理。它们主要包括输入放大、增益、调整电缆校正、黑斑校正、彩色校正、轮廓校正、黑电平控制和杂散光补偿、g校正、消隐混合等各级电路，上述电路统称为视频处理电路。图4.4－1以G信道为例，示出彩色摄象机一个信道的组成情况，其中轮廓校正和彩色校正是供R、G、B三个信道共用的，其余电路每个信道都是独立的。过去除预放器装在摄象机机头以内外，其余部分都装在控制框内，由于集成电路的发展，现在全部视频处理电路都可安装在摄象机机头内，实现了一体化。这不仅缩小了体积，而且电路结构也复杂多变，有利于提高摄象机的性能指标和操作功能。4.4.1预放器一、预放器的基本要求预放器是整个视频处理电路的第一级放大器，也称前置放大器。它设置在摄象管输出信号电极附近，把从摄象管输出的极微弱的信号电流进行放大，供后级的视频处理使用。对于预放器的基本要求有下列三点：1、高增益。对1英寸光电导摄象管来说，正常输出信号电流约0.2mA，若在预放器输出端的75W负载上输出0.5V信号电压，则要求预放器必须具有90dB的电流增益。2、宽频带。为了保证图象信号有足够的清晰度与较小的低频失真，其频带宽度要求不窄于7～8MHz，对于50Hz方波，其平顶跌落应小于2％。3、良好的信杂比。若使电视机屏幕上基本上感觉不到杂波干扰，则要求信杂比不低于45dB，最低限度不能小于40dB。二、预放器的输入电路和频率特性预放器的输入等效电路如图4.4－2（a）所示，其中Ri由输入电阻与摄象管直流负载电阻并联而成，Ci包括摄象管的输出电容，引线分布电容和预放器的输入电容等。输入电路的输入阻抗为：（4.4-1）其模值（4.4-2）由上可知，输入阻抗是随频率的升高而下降的，当频率很低时，输入阻抗。输入电路的频率特性可用来表示，即（4.4-3）根据上述特性，用图4.4-2（b）来表示，它具有高频端下降的形状。设摄象管输出的信号电流为，则预放器输入信号电压为（4.4-4）其特性也是随频率升高而下降的。为了使预放器输出信号电压的总频率特性是平坦的，即预放器的频率特性输入电路的频率特性的乘积在信号频率范围内为一常数，则（4.4-5）上式表明，预放器的频率特性应随信号频率的增长而提升，如图4.4-2（c）所示。其输出总频率特性如图（d）所示。因此，预放器是一种高频补偿放大器，或者称为反杂波校正放大器。三、预放器的信杂比摄象机输出信号的信杂比必须大于40dB时，才能在电视机荧光屏上获得比较满意的图象质量。近来，广播用彩色摄象机的信杂比已普遍大于50dB，故图像质量就很理想了。摄象机的信杂比主要取决于预放器，因此，预放器的信杂比是一个很重要的问题。预放器的信号噪声来源大致有三个方面：一是摄象管本身产生的噪声电流，在理想情况下其信杂比可达54dB以上，故对预放器总的信杂比影响不显著。二是输入电路中等效输入电阻所引起的起伏杂波，其大小为（4.4-6）上式中，k为波尔兹曼常数，等于1.38×10－23焦耳/开氏度；T为室温（K）；为预放器低频增益，D为带宽，三是预放器第一级放大器所产生的杂波，也是对整个预放器信杂比起决定性作用的部分。由于场效应管具有高输入阻抗，低杂波以及高跨导等优点，故目前多被采用于第一级放大。也可以把场效应管的杂波以杂波电阻的形式等效到它的输入端，于是等效杂波电压为其中（为场效应管的跨导）。通过对放大器的计算，预放器输出端的信杂比（4.4-7）由上式可知，为了提高预放器的信杂比，必须：尽可能减少。可选用输入电容小的场效应管以及靶电极输出电容小的摄象管，并且在考虑摄象机结构时，尽量使靶电极引出线的分布电容为最小。选用大的场效应管。应加大，通常，摄象管的直流负载电阻选用较大，但太大会引起对外界干扰的敏感性，故常选用1MW左右，并应选择低噪声的金属膜电阻。另外，为了使预放器的频率特性少受输入电阻的影响，采用深度负反馈将预放器的交流输入电阻降低。在保证信号所要求的频率宽度前提下，预放器的频带D不宜调得太宽。4.4.2黑斑校正黑斑效应（Shading）是指由于电视图象的底色不均匀性，引起整个图象中出现大面积暗斑或色斑的现象。产生黑斑效应的原因是：分色棱镜（或二向分色棱镜）的色渐变效应；摄象管镜头的亮度不均匀性；摄象管靶面灵敏度及暗电流的不均匀性，或投射背景光的不均匀；扫描的非线性以及聚焦和电子束垂直上靶的不均匀性等等。为了消除黑斑效应的影响，除了尽量消除上述种种产生黑斑的因素外，还必须在电路中采取补偿校正措施。不过，还有些随机性的黑斑是无法通过电路来校正的，那只能设法消除其根源了。黑斑有两种类型，一种是图象信号本身没有畸变，只是迭加一些不均匀的附加信号，如不均匀的背景光照射引起的阴影等；另一种是摄象管输出的图象信号本身受到一种附加信号的调制，如摄象管靶面灵敏度的不均匀性引起的信号不均匀。对前一种黑斑的校正称为静态校正（或称加法补偿），只要在电路中产生一个与附加信号波形相反的校正信号即可，如图4.4-3（b）所示。对后一种黑斑的校正，称为动态校正（或称乘法补偿），也是在电路中产生一种与附加信号波形相反的校正信号，所不同的是用该校正信号对图象进行再调制，如图4.4-3（c）所示。所用校正信号常有两种，即行、场消隐脉冲信号积分而得到的行频与场频的锯齿波信号，以及再一次积分而得到的行频和场频抛物信号，每一种校正信号的幅度和极性都能任意调节，并组合在一起，形成视频的全校正信号，图4.4-4示出了产生黑斑补偿信号的方框图。调节该图中四个电位器W1、W2、W3和W4就可得到现场所需补偿信号的类型（锯齿或抛物或二种都要）、极性和幅度。图中混入消隐信号的目的，是为了避免黑斑补偿信号对正常消隐电平的影响，保证经过补偿的图象信号中，消隐电平平整。4.4.3轮廓校正（增强）1.5.3节曾指出，孔阑效应使得图象清晰度和细节对比度下降。为此，必须对图象信号进行处理，从而提高图象清晰度，这种处理称为轮廓校正或孔阑校正。近年来，由于图象处理技术的发展，提出了图象增强的概念，就是使图象中的轮廓和细节的分界线得到加强，从而加强图象的清晰感，把即使原来就不清晰的图象处理得更清晰，这时已不再是“校正”，而是人为的“增强”了，这种技术称为轮廓增强。它与轮廓校正的目的与方法是一致的。孔阑效应的特点是对信号频谱的影响反映为高频频福特性衰减，而相频特性不变。所以，无论是轮廓校正或增强，其实质都是提升幅频特性的高频端，而不改变其相频特性。方法是首先取出图象信号中与有亮度突变的图象轮廓边缘相对应的部分，经加工处理后再加到信号中去，以补偿该部分因孔阑效应而造成的边缘模糊，提高图象的清晰度。轮廓校正通常由水平轮廓校正和垂直轮廓校正两部分组成。这里只介绍水平轮廓校正（增强）的方法。关于垂直轮廓校正的基本思想与水平轮廓校正是一致的。图4.4-5示出了水平轮廓校正的电路方框图与波形图，图m1（t）是一个水平孔阑畸变的图象信号，前后沿较差。m1（t）通过低通滤波器后变成为失去更多高频分量的m2（t），因此前后沿更坏，使m1（t）减去m2（t），便得到一个行轮廓信号m0，把m0加到m1（t）中去就得到水平轮廓鲜明的图像信号。为了使轮廓信号不发生相位畸变，因此，m1在与m2相减前先经过一个延时线以均衡低通滤波器所延迟的时间。由于混在校正信号m0的杂波可以切除，故因校正而引入的杂波很小。4.4.4彩色校正2.4.2节曾指出，为了正确重视被摄景物的彩色，摄象机的光谱响应特性应与接收端显象三基色的混色曲线相一致。图2.4-3表明，显象管的三条混色曲线中，每条曲线除了各自具有的正主瓣外，还有正次瓣、负次瓣。摄象端的摄象特性都只能提供出近似的主瓣响应（主要靠分色棱镜），提供正次瓣响应是困难的，提供负次瓣响应更不可能，因此，不采取补偿措施，重现的颜色必然会产生失真。解决这个问题的方法称为彩色校正，通常有两种方法：其一是修正法，或称缩窄主瓣法，其二是线性矩阵法。一、修正法对比公式（2.2-20）和（2.4-22），假如摄象机的光谱响应曲线与显象管混色曲线相同，则R0＝Re，G0＝Ge，B0=Be。由于实际的摄象机光谱响应曲线无负值存在，故有R0>Re，G0>Ge，B0>Be。为此，应将实际摄象机的光谱曲线中靠近负次瓣的正主瓣部分也去掉一小部分，使正主瓣去掉的面积大致等于负次瓣的面积，如图4.4-6所示。从而达到R0＝Re，G0＝Ge，B0=Be的目的。二、线性矩阵法线性矩阵法是在视频通道中采取措施，从电路上产生出相当于次瓣的电压加到主瓣电压中去。观察图2.4-3可知（l）负次瓣对应于（l）的主瓣范围内，（l）的正次瓣对应于（l）的主瓣范围内。因此，若将彩色摄象机的绿色信号电压G引出一路来，乘以合适的系数b并倒相，就可当作（l）的负次瓣应具有的电压；又将蓝色信号电压B引出一路来，乘上合适的系数c后，就可当作（l）正次瓣应具有的电压。对于（l）和（l）的负次瓣，可以类似地处理，于是得（4.4-8）式中，、、是经过线性矩阵校正彩色后的电压，R、G、B是未经彩色校正的摄像机输出电压。a、b…h、i是9个矩阵系数。其中a、b、i是各路本身信号的系数，通常在1～1.5范围内，其余6个必小于1，且b、e、f、h必为负值，c必为正值，g可能是正或负（g一般为负值），视设计而定。这些关系从图2.4-3可以看出来。为了保持白平衡，对于基准白色，三路摄像机输出信号R、G、B幅度通常调到相等（假设等1）。彩色校正后的三路输出信号也应该具有Rc＝Gc＝Bc＝1的关系，而保持白平衡不受影响，故应有由此表明，9个矩阵系数中，只有6个独立的。应用线性矩阵的关键，是正确地选定矩阵系数。然而矩阵系数的确定与照明光源、优选的被摄景物颜色、变焦距镜头、分色棱镜和摄象管等因素有关，它们的最佳值是用电子计算机来求得的。如果矩阵系数数值不当，效果可能适得其反，出现更严重的颜色误差。然而，若矩阵系数确为最佳，事实证明可使重现颜色逼真度大为提高。在实际中，通常选择若干种（20种左右）对人眼敏感的颜色（如肤色等）进行试验，根据实际效果进行调整，最后确定矩阵系数的最佳值。彩色校正矩阵电路的实现并不复杂，利用倒相放大器（可以获得不同极性的信号输出）和电阻矩阵网络（保证各信号的比例关系）即可组成。当各电阻值调到恰好符合矩阵系数要求后，在摄像机工作过程中，将不再调整，故这种彩色校正也称为固定彩色校正。由于靠线性矩阵提供的次瓣形状并不与理想的十分相符，所以经校正后得到的光谱响应曲线还是同（l）、（l）、（l）有一定出入的，也就是说，要求电视系统完全准确地重现出景物的彩色图象，事实上是不可能的。4.4.5一、g校正的必要性1.2.2节中曾指出，光电转换特性的非线性会引起图象非线性失真，它表现在两个方面，其一是灰度失真，即电视图象亮度层次的压缩与扩张；其二是色度失真。图4.4-7示出灰度非线性失真的情况，设被摄景物是图（b）所示的一幅亮度逐级均匀变化（共包括六个灰度级）竖条图案，其亮度变化示于图（c）。当系统按图（a）中的的转换特性，进行传输时，重现度将如图（d）所示，即亮度区对比度大，暗区对比度减少。如果系统有的转换特性，则重现图象的亮度变化将如图（e）所示，此时亮区对比度，减少而暗区对比度加大。产生前一种情况的系统，称为具有亮度（级数）均匀扩张（白扩张）特性的系统；而后一种系统则称为具有亮度（级数）均匀压缩特性的系统。对于光电转换非线性的彩色电视系统，除了存在上述亮度失真外，还存在着色度失真。其规律可用图4.4-8来说明。三基色及其三补色的色度不受传输系统非线性的影响，重现彩色在色三角形中的坐标位置不变。C白的色度不受的影响，重现C白的坐标位置也不变。其它多种彩色经>1的系统传输后，色度坐标将向三角形的三边或三顶点方向移动；而<1时，移动方向恰好相反，即向三角形中心或三边中心靠近，就三角形内各点代表的彩色而言，前一种情况下饱和度增强，后一种情况下饱和度下降。因此，光电转换非线性的彩色电视系统不仅存在亮度失真，而且还存在色度失真。前者不易被察觉，而后者都较容易引起注意。因此，色度失真必须限制在按人眼色差刚辨别阈所确定的容限之内（可根据图2.2-11估算）。因此，g校正是必要的。二、g校正的基本方法实现g校正常用的两种方法：二极管非线性校正（连续式校正）和二极管开关式校正（折线式校正）。连续式校正原理如图4.4-9所示。在小信号时，二极管的内阻是非线性的，如图（b）所示。当输入线性锯齿波电压U1时，由于二极管D的内阻非线性，经分压输出U2也是非线性的，它接近所要求的g校正特性曲线。这种电路最为简单；但易受二极管本身温度特性之影响，稳定性差，必须进行补偿措施。折线式校正原理如图4.4-10所示，该电路中的二极管主要不使用于小信号的非线性状态，而是利用二极管的开关特性。图中四个二极管的偏压不一样，当输入线性锯齿波电压U1时，随着U1的增大，四个二极管先后逐个导通，改变了分压比，使输出电压U2分为五段，其折率一段比一段小，由此五段折线所形成的特性曲线能调节变化，使其近似所要求的g校正特性曲线。因此电路虽比较复杂但很稳定。4.4.6基准电平稳定图象信号是一种随时间变化的信号电压，它以固定的消隐电平为基准，在一个方向上变化，它包含被摄景物中的背景、彩色细节、运动状态等。从频谱上看，它既有直流分量，又有交流分量。但在传输系统中，不可能全部采用直流放大，因为这样做，既不稳定，又不经济。通常都采用交流耦合传输，这样，代表背景的直流分量就被丢失了，固定的基准电平发生变化，使传输系统动态范围增加，破坏了彩色底色平衡而产生畸变。图4.4-11表示图象信号传输时，直流分量丢失的情况。图象信号经交流耦合后，使原来的直流分量丢失，作为电平基准的消隐电平，变为高低不平了。如果设法把消隐电平的顶部拉在同一电平上，恢复到原状态，这叫做直流恢复。完成这种作用的电路，叫做钳位电路。钳位电路不仅能恢复直流分量，而且尚有改善视频信号的低频失真的消除迭加型低频交流干扰的作用。一个低频特性差的图象信号，场扫描期间的行消隐电平如图4.4-12（b）那样是倾斜的。通过钳位就把倾斜特性钳平了，如图（c所示）。图4.4－13（a）是有低频交流干扰的图象信号，当把消隐电平钳到某一固定电平时，就消除了交流干扰，如图4.4-13（b）所示。在电视收、发系统中，钳位电路用得极其普遍。一般来说，在信号进行非线性变换之前，都要先进行钳位，尔后进行变换。例如，g校正、平衡调幅，同步分离等等，这一点应引起读者的注意。钳位电路有强迫和非强迫钳位之分。通常三极管的强迫钳位用得较多，它的实际电路如图4.4-14所示。图是钳位三极管，用以代替钳位二极管的作用，在的基极上输入一列出现在行消隐期间的行频脉冲（钳位脉冲）。当有钳位脉冲时，不管被钳位的信号为何电平，三极管总是及时饱和导通，电容C通过前级输出电阻和的饱和内阻迅速充电，这时输入信号脉冲被钳位集电极电位上（近似等于发射极的电位）。当钳位脉冲过后，C通过前级输出阻抗和下级输入阻抗放电。这两级通常采用发射极跟随器。它们具有低的输出阻抗和高的输入阻抗，这就保证了电容C的迅速充电和缓慢放电。在钳位三极管的发射电路接入电位器W，用来调节钳位电平，为了不使钳位脉冲对图象信号产生干扰，钳位脉冲应比消隐脉冲窄一些，即图中两个信号的脉宽应有下列关系：。在摄象机中调整基准电平（PedestalLevel）或黑电平（BlackLevel），都是通过调整钳位电平实现的。§4.5同步信号的形成为了保证图象信号从发送端到接收端稳定、准确地传送，在PAL制电视中心由彩色电视同步机产生七种同步信号。它们是行推动信号HD和场推动信号VD（通常供电视中心的行、场同步之用，也可作行、场消隐用），复合同步信号S和复合消隐信号BL（为接收机传送的同步、消隐信息），以及副载F，以同步旗形脉冲K和PAL识别脉冲P。前面两种为黑白与彩色电视系统所共有，后面三种是彩色电视系统所必须的。在电视标准中，对这些信号在幅度、频率、相位、波形等方面的特性都作出了严格规定。产生上述同步信号的同步机应具有下面四个功能：实现上述各同步脉冲间严格的频率关系，然后用它来形成各种形状的同步脉冲。称为定时部分。由定时部分来的信号形成上述种种规定波形标准的同步脉冲，并保证它们有严格的时间相位关系。把这一部分叫做同步脉冲形成部分。把产生合乎标准的同步信号放大到规定的幅度，并能负荷低阻负载馈送给需要点。这由脉冲分配放大器来实现。具有台从锁相（Genlok）和台主锁相（Slavelok）的功能。所谓台从锁相是指本地同步机的频率和相位受控于外地同步机（例如转播车）的频率和相位。而台主锁相恰好相反，即外地同步机（例如几部转播车）的频率和相位受控于中心台的频率和相位。这种功能的目的是为了实现来自不同的同步信号在频率和相位上严格一致。近年来，由于数字帧同步器的发展，这些功能常比较方便地由数字帧同步器所代替。尽管如此，作为完整的同步机都应具有上述四种基本功能。下面就三种功能及其电路实现加以介绍。4.5.1同步信号的定时同步机输出的七种信号在频率与相位方面保持着严格的关系。例如，除副载波外它们都是由波形不同的行频、场频、二倍行频脉冲所组成，而副载波频率与行频、场频之间又有确定的关系。因此，可以用一个标准信号来产生其它信号，从而保证它们之间应有的关系，这就是同步信号定时。目前的同步机通常选副载频作为标准信号，来产生其它各种信号。但是1982年2月CCIR15次全会通过了电视中心数字参量标准（即CCIR601号建议）。它规定了分量信号编码，其亮度信号的取样频率为13.5MHz。这样，今后所有电视中心用数字设备，例如，时基校正器、帧同步器、数字特技等，其时钟频率将采用13.5Mhz或它的倍数，这个频率是能兼容目前广泛使用的扫描标准，即625/50、525/60扫描标准。13.5MHz通过不同的分频得到两种扫描标准的行频与场频。所以今后的同步机所选用的标准信号可能是13.5MHz或它的分频频率，这样有利于电视中心的数字设备接口。下面举出两种形成副载频与其他同步信号的方案，如图4.5-1和图4.5-2所示。一、副载波晶体振荡方案如图4.5-1所示，它采用一个副载波晶体振荡器，产生＝4.43361875MHz的副载波，并用它作为标准信号。由于所以而且由上述关系可知，把减少25Hz后，再通过1/5分频、1/227分频和8倍频，就能得到；由2再通过1/2分频和1/625分频，产生和；最后由脉冲组合电路形成其余六种同步信号。其中1/5分频、1/227分频及8倍频电路的组合称PAL耦合器。二、两个晶体振荡器加AFC的方案如图4.5-2所示，它增加了一个2的晶体振荡器（也有用2.5Mhz晶体振荡器，再经8分频得到2的），这样可省去一部分比较复杂的分频电路。但为了确保副载波与行频的/4间置的关系，故必须采用AFC（自动频率控制）电路。把已减去25Hz的副载波与2分频后所得到的/4鉴相；然后再用误差电压去控制2的晶体振荡器，以自动保持与（－25Hz）的1/4行频间置关系。三、实现25Hz偏置的方案如图4.5-3所示，图中为25Hz的正弦波频率，cos2pt为其瞬时值。在平衡调制器I中，cos2pt对cos2pt进行调制，得到两个分量同样，在调制器II中由经90度移上后对进行调制，也得到两个分量＝＝上述两个调制器的输出信号相加得即得到－25频率，从而实现了25Hz偏置。实现25Hz偏置还有其它方案，在此不赘述4.5.2同步信号的形成利用定时部分输出的2、、三种基本频率，采用一次形成法和电子综合法，便可形成所需要的各种同步信号。一、一次形成法这是利用在R－S触发器的S端和R端加以合适的触发脉冲，一次形成所需的各种同步信号，如图4.5-4所示。假设R端与S端分别注入图（b）所示两列负脉冲串，t1时刻之前，Q＝0；在t＝t1时，S＝0，Q＝1；当t＝t1时，R＝0，Q＝0；当t＝t3时，R＝0，Q仍等于0。同理，可以分析t4、t5、t6时刻负尖脉冲的作用情况。由此可见，输出脉冲的宽度仅决定于S端触发脉冲和紧跟着它们的R端触发脉冲的作用情况。由此可见，输出脉冲的宽度仅决定于S端两个相邻的触发脉冲之间的间隔（在此间隔时间内R端必须至少有一个触发脉冲输入）。一次形成法的关键在于，排列出两列具有合适时间关系的触发脉冲，并分别注入R端与S端，就能从Q端得到所需要的各种同步信号，它们可以分别为S、BL、HD、VD、K、P信号或者是它们组合信号。二、电子综合法大规模集成电路同步机的设计思想，基于电子综合法，利用电子综合法产生各种同步信号可以归纳为三个步骤：1、由S、BL、HD、VD、K、P等信号的基本特性是以行或场为周期的二值（即只有0、1两个电平）信号。它们本身及其组合信号F可以看成一个二值函数，并且总可以分解成有限个以2、、为周期的简单函数。令组合信号F与简单信号之间存在下列关系：（4.5-3）上述函数中只存在“与”、“或”、“非”三种简单运算。2、利用数字电路，由定时部分产生的2、、三种基本频率脉冲加以控制，产生上述有限个简单信号。3、对F＝（）进行逻辑化简，求出F与之间的最简关系式，由数字逻辑电路得到组合信号F，这个数字逻辑电路可由最简单的“与非”门或者“或非”门组合而成，也可以由可编程逻辑阵列PLA（ProgrammableLogicArraya）组成。下面举列说明（见图4.5-5），假设要产生复合同步信号和复合消隐信号。电子综合法的关键在于将组合信号分解成有限个简单信号，并求出组合信号与简单信号之间的最简逻辑关系式。先求复合消隐信号，它可看作行消隐脉冲序列和场消隐脉冲序列F5之组合，即＝＋（4.5-4）再求复合同步信号，先可分解成，、三个函数之和。即＝++（4.5-5）式中，为行同步脉冲（7.5H脉冲期间无行同步），为开槽的场同步脉冲，为前后均衡脉冲。但是，、并非最简单函数还要继续分解。若F2为行同步脉冲序列，F4为具有场同步和场衡脉冲持续期的脉冲（即7.5H脉冲），F6为均衡脉冲序列，F7为二倍行频的槽脉冲序列，F8为未开槽的场同步信号，图（b）表示行消隐期附近F1，F2，F6、F7的时间关系和脉宽，则不难看出：F9＝F2`F4；F10＝`F7F8；F11＝F4F6`F8故：F0＝F2`F4＋`F7F8＋F4F6`F8（4.5-6）根据电子综合法的第2个步骤先产生出最简单信号F1，F2，F4～F8，再利用满足式（4.5-4）和式（4.5-6）逻辑关系的数字电路就可以产生复合消隐信号F3和复合同步信号F0。由于式（4.5-3）、式（4.5-4）和式（4.5-6）中，只存在“与”、“或”、“非”三种运算，因此利用“与非”门或者“或非”门组成的电路就可以完成。或者利用PAL电路完成。PAL电路如图4.5-6所示4.5.3台从锁相与台主锁相一、台从锁相（Genlock）台从锁相是指本地同步机的频率与相位受控于外地同步的频率和相位。利用图4.5-7所示副载波锁相系统即可完成这种功能。它与接收机副载波锁相原理相同（见§5.4），色同步选通电路输出的外地色同步信号和本地副载波信号在鉴相器进行比较，产生7.8kHz的PAL识别信号。它有两个作用：其一，经低通滤波器滤波后，控制本地副载波与外地副载波同频同相；其二，可作为P脉冲定相用。由于锁定的本地振荡相位与外来色同步副载波相位有90度相位差，又由于传送信号的电缆长度对到达混合设备的色度信号副载波的相位有影响，所以，图中还设置了可调的移相器。被外地副载频锁定后的本地副载频，经过25Hz频移后，再经若干次分频及倍频处理所得到的行频、场频脉冲虽与外地的行频、场频相同，但是其相位还不能保证相同。因此，除副载波锁相电路外，还必须设置行锁相环路、场锁相环路及P脉冲定相电路。二、台主锁相（Slavelock）台主锁相是指外地同步机的频率与相位受控于中心台的频率和相位，图4.5-8示出一种台主锁相方式的原理方框图。在电视中心台，从收到外来（例如转播车）的全电视信号中取出各种同步信号，分别与本地中心台同步机的副载波行、场同步信号及P脉冲鉴相，鉴相输出的误差控制电压，通过传输线路返送到转播车，用以控制转播车的同步机，使之与中心台同步。台主锁相可以由中心台分别控制多数转播车，以便进行多路节目联播。这时，转播车同步机不再使用25Hz频移及PAL耦合器，其副载波与行频间的确切关系由中心台同步机保证。三、全国电视台锁相系统（Natlock）全国电视台锁相系统是一种扩大的台主锁相系统，它使全国所有电视台都与中央电视机保持同步信号具有同频同相的关系，从而可以实现全国范围内的节目联播。图4.5-9示出全国电视台锁相系统原理方框图。将各地电视台（或转播车）送来的同步信号与中央台的同步信号进行比较，输出的误差信号经过编码后形成音频信号。受控台收到音频误差信号，由误差信号解码器解码并用以控制移相推动器。移相推动器是一个2H发生器，它将具有高稳定度的副载波分频而形成2H的信号，它可根据不同的控制信号置于不同的校正状态。换言之，由不同的控制信号改变其分频比，从而使受控台同步机的定时信号产生相移校正，直至与中央台锁定为止。输出的误差信号采用音频信号编码，具有两个优点：其一，增强抗干扰能力；其二，便于使用窄频带电话线路进行传输。§4.6PAL全电视信号的形成PAL制彩色全电视信号由亮度信号、色度信号、色同步信号、复合消隐信号和复合同步信号组成。经过图象信号处理后的三基色信号和各种同步信号同时送入PAL编码器，经过一系列的处理加工后，即可形成PAL制彩色全电视信号。编码器包括矩阵电路，亮度信号通道，色度信号通道，同步信号预制电路和混合电路等组成部分。4.6.1PAL编码器PAL编码器的基本原理与NTSC制的一样，也采用两个平衡调制器分别产生的U、V的已调波，再将u、v分量相迭加，形成色度信号。不同的是V分量要逐行倒相，所以需添加倒相电路。倒相方法有三种，一是用分相器和电子开关逐行倒相色差信号；二是逐行倒相V的被调副载波；三是逐行倒相V的已调波。这三者以第二种最合适，因为被倒相的是单一频率的信号，对分相器和电子开关的要求较低。对被调副载波进行逐行倒相也有多种方法。例如，图4.6-1是用分相器和电子开关对副载波进行逐行倒相。图中分相器可用变压器或者三极管裂相；电子开关可由三极管或二极管组成，它们都是受PAL脉冲的控制，所谓PAL脉冲就是半行频方波，它是由彩色同步机直接或间接提供的。用函数对副载波进行平衡调幅也可完成逐行倒相作用。因为调制乘积这种方法可用图4.6-2所示的环形平衡调幅器实现。图中假设的电压幅度远大于副载波的幅度，D1～D4的导通与截止取决于的极性。当＝1，即正半周到来时，D1、D2导通，D3、D4截止，则输出－的副载波。然后再将逐行倒相的副载波提供给（R－Y）调制器。由此可见，产生PAL制色度信号的方法很多，因此PAL编码器存在多种方案，限于篇幅，下面仅介绍一种副载波逐行倒相的PAL制编码器，如图4.6-3所示。经过校正的三基色信号R、G、B由矩阵电路变成亮度信号Y、蓝色差信号（B－Y）和红色差信号R－Y。在亮度通道中，设置有副载波陷波器和延迟线，前者是为了减少进入接收机色度通道的亮度串色，而当不希望它影响黑白兼容图象的清晰时，也可将其旁路；后者是为了均衡色度信号因频率受限而在时间上产生的延迟。通过陷波器和延迟线的Y信号，再经放大、钳位等处理电路，并混入复合消隐信号（BL）和复合同步信号（S）后，便形成黑白全电视信号（VBS）。在色度通道里，（R－Y）、（B－Y）先经带宽（1.3MHz）限制，并压缩为V、U信号，再由钳位电路钳定零电平，然后进入平衡调幅器，变成红色度信号和蓝色度信号，两者相加并经低通或者带通滤除调制中产生的谐波之后，形成色度信号。由同步机送来的副载波，先经移相器移相，以便对不同编码器输出的色度信号进行特技切换时，可以调整到同一基准相位。设经相位调整后的副载波为，它直接送到U平衡调幅器；副载波经移相后，由PAL开关逐行倒相形成的副载波，供V平衡调幅器使用。PAL开关由半行频方波驱动，半行频方波来自双稳态触发器，其工作状态按行频翻转，用PAL识别脉冲（P）或场识别脉冲（VP）确定半行频方波的相位。为了形成PAL色同步信号，在色差信号U、V中分别混入－K和K的色同步旗形脉冲，经过U、V平衡调幅器便形成色同步信号；进入U调制器的－K脉冲决定的初始平均相位为，进入V调制器的K脉冲决定初始相位分量。两者相加，即形成的初始相位为。BL、S、K、P脉冲都由同步机提供，不过到达编码器后还需预制。将Y、、、BL和S混合，并经放大、钳位等处理后，即得到彩色全电视信号（CVBS）。4.6.2PAL制色同步信号的迂回消除3.4.1节曾说明了PAL制色同步信号的功能与特点：其一，传送副载波相位信息，这由初始平均相位来体现；其二，传送识别逐行倒相的信息，为此初始相位采用逐行换相（即），根据这一特点，人们形象地称它为摇摆色同步信号。4.6-1节说明了产生PAL制色同步信号的一种方法：分别在U、V两个色差信号中加入－K和＋K脉冲，通过平衡调幅后产生色度信号和色同步信号。为了使色同步信号不干扰图象，规定在行消隐期间传送，其幅度不宜过大，而且副载波的平均相位对应人眼不敏感的色调。如果在整场每一行的消隐后肩上都传送色同步信号，对于均衡脉冲与场同步期间的色同步信号会对电视机的场同步产生干扰。因此，应在场消隐的一部分时间内不产生色同步信号。全部场消隐期间都无色同步信号，将会使每场前几行图象彩色出现混乱，这是由于电视机副载波锁相电路需要一定相位锁定时间。因此，对色同步信号抑制的第一要求是只需消除前、后均衡脉冲和场同步脉冲期间的色同步信号。第二个要求则是被抑制后的前、后两行色同步信号（即上一场的末一群和下一场的第一群色同步信号）相位都对应于不倒相行、即规定都是。这后一个要求在于使电视机中的副载波振荡器能较快地被接着出现的色同步信号锁定。由于色同步信号相位逐行换相，所以为了满足第二个要求，被抑制的色同步信号须为奇数群，现具体规定为9群。在图4.6-4所示的第一场信号波形中，1～9群色同步信号被消除，第一要求也得到满足。电路上是采用宽9H的色同步抑制脉冲去消除这9行中的＋K脉冲和－K脉冲。进一步分析，由于每场312.5行，即要消除9群包罗往前、后均衡脉冲和场同步期间的色同步信号，又要保证消除后的前、后两群相位都是，所以消除色同步的9H抑制脉冲应逐场移动半行，并四场一循环。图4.6-4示出四场中的9H抑制脉冲与场消隐脉冲的时间位置关系，抑制脉冲依照第四、一、二、三场的次序逐场向前移半行，而后跳回到第四场的位置。由于这种抑制脉冲来回移动，所以常称为迂回脉冲。迂回脉冲在彩色同步机内产生并起作用，使输出的K脉冲每场缺9个，位置规律如图4.6-4所示。抑制脉冲迂回的必要性可以这样看出来：设第一场的抑制脉冲位置已确定，则第二场中它不移动（相对于场同步基准线它不移动），将消除掉第319行的色同步信号，而第320行出现的色同步信号是。所以抑制脉冲还需左移半行，让第三场第6行的色同步信号首先出现。第四场的抑制脉冲依上面的道理也须左移半行，但这样会使后均衡脉冲期间出现色同步信号，为此将第四场抑制脉冲相对于第三场右移一行半，于是，抑制脉冲以四场一循环进行迂回。结果，PAL制彩色全电视信号是以四场构成一个完整周期，这一点，实际设备中在将几路彩色全电视信号进行混合时，必须注意到场序不符的信号不能相混。§4.7电视信号的发送电视信号发送的目的，是使尽可能多的用户能接收到满意的电视节目，为了扩大“电视覆盖”的范围，应该合理地组织电视“传送网”和“发送网”。电视传送网是指把各大城市的电视中心台，以及各地的电视发射台联结起来的通信网而言。一般来说，在国内以微波传送和同轴电缆（或光纤系统）传送为主，在国际间以通信卫星传送为主。电视发射网是指用传送网联结起来的由大、中型的电视发射台以及小型收转（或差转）台组成的发射网而言。电视卫星广播是解决“电视覆盖”最有效的办法，幅员辽阔的我国，只需一颗同步广播卫星，就能覆盖全中国。4.7.1电视信号的发送方式一、图象信号采用残留边带调制方式无论是黑白或彩色全电视信号均占0～6MHz带宽，这种信号不能直接依靠天线发射出去供电视机接收，必须把它调制在比6MHz至少高5～7倍的载频上才能发射出去。至于调制方式，调幅、调频或脉冲调制在原则上都可采用。对于广播电视来说，有重要意义的是已调波的带宽应尽量窄些，以便在国际上所规定的波段内，能容纳更多的电视频道数；同时电视接收机的制造成本也可以低些，故目前的电视广播一律都采用调幅的残留边带发射。下面分析采用残留边带调制的原因。1、如果采用调幅双边带，其带宽为12MHz，显然容纳电视频道少；另外，由于对载波频率而言，相对带宽太大，对收、发设备的设计都带来困难，提高了要求，显然这不是一个好办法。2、如果采用调幅单边带，故然可以将已调波频带压缩到6MHz，但是存在着以下缺点：如果不发载频，只发一个边带，电视接收机中采用同步检波方式，才能解调出图象信号。而同步检波必须恢复载频，这增加了电视机的复杂性，对数以千万计的用户而言，在经济上是不合算的。如果发载频（假定只传送上边带和载波），电视机可以采用普通检波方式解调出图象信号，但是这种收、发方式却带来两个缺点：a、要得到纯净的单边带信号，必须让双边带调幅信号通过频带锐截止的单边带滤波器。其通频带为～（＋6）MHz，其中为图象载频。显然，要制作出如此幅频特性的滤波器是相当困难的，而且在截止频率附近滤波器的相频特性会出现严重的非线性，导致图象信号低频分量会有明显的失真，图象质量大大下降。b、解调信号存在失真，并且调制度越大，失真愈严重。下面对此进行说明。如果只传送上边带和载波，则对某一单频（W）图象信号的已调波可用下式表示此式可变为（4.7-2）上式的第一项即是双边带调幅波，用包络检波时本可得到原调制信号。但由于存在第二项分量，使传输信号的包络形式不再是，因此用包络检波将得不到原调制信号，而是掺有失真分量了。用图4.7-1所示矢量图表示单边带已调波，图中，矢量OA表示式（4.7-1）中的第一项，即载波分量；矢量AB表示式（4.7-1）中的第二项，即上边带分量；矢量OB便是合成信号，矢量OB的模就是已调波的包络。随着矢量AB相对于矢量OA（假定OA相对的静止）的旋转，合成矢量OB实质上是个带有寄生调相的调幅波，其包络与调制信号相比存在一定的包络失真。如果载波幅度E比调制信号相比存在一定的包络失真。如果载波副度E比调制信号幅度E大得愈多，即调制系数m=E/E愈小，则寄生调相将很小，包络失真也很小，可以忽略。反之调制系数越大，则包络失真也越大。但应注意，单边带包络的起伏比双边带调幅波小一半，所以包络检波的输出信号比双边带检波输出小一半。3、如果采用残留边带调制，则可以克服