《电视机原理与技术》课件第1章

第1章电视信号的传送1.1图像传送的基本概念1.2电视扫描原理

1.3黑白全电视信号

1.4电视信号的发送

本章小结

思考与习题

1.1图像传送的基本概念

1.1.1电视系统的基本组成

电视系统主要由摄像设备、传输信道、显像设备以及同步系统组成，如图1-1所示。其基本工作过程是：在图像的发送端通过摄像设备将景物进行图像分解，即将景物图像各部分的明暗变化(光信号)经过光/电转换变成电信号送入传输信道。传输信道可以是电缆构成的有线方式，也可以是自由空间构成的无线方式。在图像的接收端，由显像设备将图像复合，即将来自传输信道的电信号经电/光转换在屏幕上重现图像。同步系统使发送端和接收端的扫描实现同步。图1-1电视系统的基本组成1.1.2图像的分解与顺序传送

如果用放大镜仔细观察印刷品上的画面或照片，就会发现它们都是由许多紧密相邻、明暗不同的细小的点所构成的，这些小点称为像素，它是构成图像的基本单元。显然，

像素点越小，单位面积上像素数目越多，图像就越清晰。

从理论上说，可以同时将这些不同亮度的像素转变成不同强度的电信号，每个电信号用一个传输信道发送出去，接收端再把电信号转变成像素，重现原来的图像。然而，电视系统中将一幅图像分解成四十多万个像素，要同时传送几十万个像素的信息，需要几十万个信道，这显然是不可能的。电视系统中实际采用顺序传送的方法，即把各像素按一定顺序经摄像设备的光/电转换变成电信号，再在同一个传输信道中依次传送出去。接收端经显像设备的电/光转换，再按同样的顺序将各电信号在对应的位置上转变成像素，进而形成图像。只要传送的速度足够快，就可以利用荧光屏发光材料的余辉特性和人眼的视觉惰性，在荧光屏上显示出完整而连续活动的图像。这种顺序传送必须迅速而准确，每一个像素一定要在轮到它的时候才能被发送和接收，而且接收端每个像素的几何位置与发送端一一对应。这种工作方式

称为收、发同步工作，简称同步。如果接收端画面的像素相对于发送端画面发生错位而不同步，则重现图像将发生畸变甚至什么也分辨不出来。可见，同步系统在电视中起着十分重要的作用。图1-2所示为单信道顺序传送图像示意图。开关S1、S2同步切换，使收、发两端像素位置一一对应。当发送端从左上角至右下角扫完一幅画面时，接收端亦同时显示完一幅画面。图1-2单信道顺序传送图像示意图1.1.3光和电的转换

图像的摄取与重现是基于光和电的转换原理。在电视系统中实现光/电转换的是摄像设备(摄像管)，实现电/光转换的是显像设备(显像管)。下面以目前广泛应用的光电效应摄像管(简称光电摄像管)为例，简单说明光和电的转换过程。显像管将在第5章中详述。

1.光电摄像管的结构

图1-3所示是内光电效应摄像管结构图。它由光电靶、电子枪和玻壳等组成。在管外装有聚焦、偏转和校正线圈。电子枪包括灯丝、阴极、控制栅极、加速极(第一阳极)、聚焦极和网电极等。图1-3光电效应摄像管结构图阴极被灯丝加热到2000K时会发射大量电子，在阴极周围形成电子云。控制栅极是套在阴极外面的金属圆筒，圆筒顶部中心处开有一个小孔，阴极发出的电子只能从这个小孔内射出。在控制栅极上加有负电压(约50V)，电压的大步决定了栅极小孔中发射出来的电子的多少。加速极上有较高的正电压(约300V)，使从栅极小孔中飞出的电子得到加速。加速极顶部有一个限制小孔，它使从孔中飞出的电子束很细。为了使电子束在到达靶面时能再次聚成一点，必须对电子束进行聚焦，因此在加速极后面再加两个聚焦极1和2，并在上面加可调电压，使电子束刚好聚焦于靶面上，从而达到使图像清晰的目的。网电极是离靶面很近的细金属丝网，电子束通过它到达靶上。由于靶面导电极上加的电压比网电极上加的电压低得多，在靶与网之间形成一个很强的均匀减速电场，使电子束经过网电极后作减速运动，最后以接近于零的速度垂直到达靶上。这种情况称为慢电子扫描，对靶面的轰击作用小，不会发生二次电子发射，对管子寿命有延长作用。光电靶的外侧为光电导层，由蒸镀在信号板上的一层具有内光电效应的半导体光电材料所构成。它在无光照射时具有极高的电阻值，当受光照射时其电阻值下降，电阻率变化量与光通量成正比。所以靶面可以被具有一定截面积的扫描电子束分解成细小的像素(约40万个)。

2.光电摄像管的工作原理

被摄景物通过光学镜头成像于光电靶上，光像各部分的亮度不同，使光电靶上各部分的电阻值不同。与光像较亮部分对应的靶像像素电阻较小；与光像较暗部分对应的靶像像素电阻较大。于是就可以将光图像(亮度分布)变换成电图像(各像素不同电阻值的分布)。

当扫描电子束有规律地扫过靶上各像素时，对应亮像素电流大，对应暗像素电流小，故负载上输出负极性图像信号(信号的高电平对应图像的低亮度，信号的低电平对应图像的高亮度)。将此图像信号传送到接收端，只要发、收端的扫描完全同步，就可通过显像管的电/光转换还原出与被摄景物相同的光图像。

1.2电视扫描原理

电子束有规律地扫动称为扫描。电视技术中有两种直线型扫描：一种是在水平方向的扫描，称为行扫描；另一种是垂直方向的扫描，称为场(帧)扫描。电视发送端将图像分解为像素和接收端将像素重新组合成图像的过程就是靠摄像管和显像管中电子束的扫描运动来完成的。

当电子束通过电场或磁场时，会受到电场或磁场的作用力而改变前进的方向。摄像管和显像管就是利用磁场使电子束偏转来实现扫描的，即在器件外装置的偏转线圈中通以锯齿电流，使电子束作相应的偏转。1.2.1逐行扫描

一行紧跟一行的扫描方式称为逐行扫描。为了使电子束顺序扫过整个屏幕，必须同时进行水平和垂直方向的偏转，为此需要给两对相应的偏转线圈分别通以一定的锯齿波电流，如图1-4所示。图1-4逐行扫描锯齿电流波形图(a)行扫描；(b)场扫描假定在水平偏转线圈里通以图1-4(a)所示的锯齿波电流，当电流线性增长时(t1～t2)，电子束在水平方向上受到自左向右的作用力，因此电子束从左向右作匀速运动，这段运动叫做行扫描正程。正程结束时(t2)，电子束已扫到屏幕的最右边。然后，偏转电流很快线性减小(t2～t3)，电子束受到自右向左的作用力迅速从右向左运动，t3时刻又回到屏幕的最左边，这段过程叫做行扫描逆程。电子束在水平方向往返扫描一次所需的时间称为行扫描周期TH，它等于行正程时间THt和行逆程时间THr之和。行扫描周期的倒数就是行扫描频率fH，即fH=1/TH。当只在行偏转线圈中通以锯齿电流，即只有行扫描时，屏幕中间会出现一条水平亮线，如图1-5(a)所示。图1-5逐行扫描光栅(a)只有行扫描；(b)只有场扫描；(c)场正程扫描光栅；(d)场逆程扫描光栅；(e)消隐后的扫描光栅假定在垂直偏转线圈里通以如图1-4(b)所示的场锯齿波电流，那么，电子束将在垂直方向上受到作用力，产生先自上而下，再自下而上的运动，分别形成场扫描正程和逆程。场扫描周期TV等于场扫描正程时间TVt和场扫描逆程时间TVr之和。场扫描周期的倒数即场扫描频率，即fV=1/TV。当只在场偏转线圈里通以锯齿波电流，即只有场扫描时，荧光屏上会出现一条垂直亮线，如图1-5(b)所示。当把行偏转电流iH和场偏转电流iV同时分别通入两只垂直安装的偏转线圈里并使TV＞TH时，电子束将同时受到水平和垂直两个方向上的作用力，电子束一方面沿水平方向扫

描，另一方面沿垂直方向扫描，在屏幕上将显示出一幅光栅。所谓光栅，是指电子束在屏幕上扫描的轨迹。图1-5(c)所示为场正程期间的扫描光栅，虚线为行逆程扫描光栅。图1-5(d)所示为场逆程期间的扫描光栅。为了使图像清晰，在逆程期间应利用消隐脉冲截止扫描电子束，使逆程扫描线消失，消隐后的扫描光栅如图1-5(e)所示。由于行扫描时间比场扫描时间短得多，因此实际扫描线是近似水平略向下倾斜的直线。1.2.2隔行扫描

根据人眼的视觉特性，一幅电视图像要有足够的清晰度和不产生闪烁感觉，就必须有足够的换场频率。若采用逐行扫描，产生出来的图像信号必然占很宽的频带，这将使设备复杂化，因此逐行扫描只在高清晰度彩色电视机中采用。为了克服逐行扫描的缺点，普通电视广播中常采用隔行扫描，这种扫描方式可以在不增加带宽的条件下，既保证有足够的清晰度，又避免产生闪烁现象。隔行扫描就是把一帧(或称一幅)图像分成两场来扫描。第一场扫描1，3，5，…奇数行，称为奇数场；第二场扫描2，4，6，…偶数行，称为偶数场，如图1-6所示。两场光栅均匀镶嵌是对隔行扫描的基本要求，否则会造成图像的清晰度下降。为了使第一场光栅在第二场光栅的中间，每一场必

须包含半行扫描，这就要求每一帧的扫描行数为奇数行。我国电视标准规定，一帧图像的总行数为625行，每秒传送25帧，因此，每场应包含312.5行，每秒钟扫描50场，即场频fV=50Hz。图1-6隔行扫描光栅及扫描电流波形图(a)隔行扫描光栅；(b)扫描电流波形图1-7所示为隔行扫描重现图像示意图。

任一图像都有一定的背景亮度，反映在信号上就是信号的直流分量。即使是活动图像，由于其动作缓慢，图像信号中也有一个几乎是零频率的平均分量。这一频率决定了图像信号的下限。图像信号的上限，即最高频率，出现在图像的细节部分，细节越清晰，信号频率就越高。图1-7隔行扫描重现图像示意图(a)奇数场图像；(b)偶数场图像；(c)合成图像图1-8所示为一幅全是细节的图像，这幅图像由许多黑白小方块组成，方格的高度与垂直方向扫描线间距相等。这样一个黑或白的小方块就是一个像素。我国电视扫描行数为625行，其中正程575行，逆程50行，即一帧图像的显示扫描行数为575行，也就是说，一帧图像由575行像素组成。一般电视机屏幕的宽高比为4∶3，因此，一帧图像的总像素个数约为图1-8图像信号的像素扫过一个黑块和一个白块就正好相当于电压的一周。我国电视规定1秒传送25帧图像，因此该图像的最高频率为

考虑到留有一定的裕量，我国电视标准规定，图像信号的频带宽度为6MHz。如果采用逐行扫描，每秒钟传送50帧图像，则图像信号的带宽将达到11MHz。可见，采用隔行扫描时，一帧是由两场复合而成的，每帧画面仍为625行，图像清晰度没有降低，而频带却压缩了一半。但隔行扫描也存在一些固有的缺点，如行间闪烁效应、并行现象、锯

齿化现象等。我国广播电视采用隔行扫描，主要扫描参数如下：行频为15625Hz,场频为50Hz，行周期为64μs，场周期为20ms，行正程时间大于等于52μs，场正程时间大于等于18.4ms，行逆程时间小于等于12μs，场逆程时间小于等于1.6ms，帧频为25Hz,每帧行数为625(显示575)，帧周期为40ms，每场行数为312.5(显示287.5)。 1.3黑白全电视信号

黑白全电视信号(也称视频信号)包括图像信号、复合消隐信号、复合同步信号、开槽脉冲和均衡脉冲。图像信号反映了电视系统所传送图像的信息，是电视信号中的主体，它是在场扫描正程期的行扫描正程期内传送的。其他几种信号则是为了保证图像质量(如图像的清晰和稳定)而设的辅助信号，这些辅助信号是必需的。其中复合消隐信号是为了消除回扫线而使图像清晰；复合同步信号、开槽脉冲和均衡脉冲的作用主要是使重现图像与摄取图像保持同步，正确重现图像并使之稳定。这些辅助信号都是在行、场逆程期间传送的。1.3.1图像信号

图像信号是反映画面内容的电信号，它在电子扫描作用下，由摄像管将明暗不同的景象转换为相应的电信号，然后经信道传送给显像管。由于图像的随机性，图像信号电平在一定范围内随机起伏。

图1-9画出了两行的图像信号波形，其中u/um(%)表示相对幅值。从图中可见，图像信号的幅度在电视信号相对幅度的75%以下，一般在12.5%～75%之间。其中，幅度为12.5%的电平称为白电平，幅度为75%的电平称为黑电平。图1-9图像信号波形1.3.2复合消隐信号

电子束在行、场正程期间形成图像信号，逆程则形成回扫线。为了消除回扫线对图像的干扰，电视台在电子束回扫期间发出消隐脉冲信号，使显像管中的电子束在该脉冲信号作用下截止，从而消除显像管在行、场扫描逆程产生的回扫线。消隐信号分为行消隐信号和场消隐信号，前者可消去行回扫线，后者可消去场回扫线。这两种信号混合在一起，叫做复合消隐信号。行、场消隐脉冲的相对电平为75%，相

当于图像信号黑电平。行消隐脉宽为12μs，周期为64μs；场消隐脉宽为1600μs(25TH)，周期为20ms。由于采用了隔行扫描，因此相邻两场的场消隐起点与行消隐的关系相差半行，如图1-10所示。图1-10相邻两场的复合消隐信号1.3.3复合同步信号

为了使接收机重现的图像与摄像机拍摄的图像方位完全一致，就必须要求显像管电子束的扫描与摄像管电子束的扫描完全“同步”，即扫描的频率和相位完全相同，否则将造成图像畸变。为此，由同步机发出行、场同步信号，两者混合称为复合同步信号。

行同步信号是指电视信号发送端为了使接收端行扫描与其同步，特在行扫描正程结束时向接收机发出一个信号，表示这一行已经结束，接收机收到该信号后应该立即回扫。行同步信号置于行消隐脉冲出现后1.3μs，其宽度为4.7μs，如图1-11所示。图1-11行消隐脉冲和行同步脉冲为了保证电视机每场扫描均与发送端保持同步，特在每场正程结束时的场消隐期间发送一个场同步信号，其电平与行同步电平一致，脉宽为2.5TH，即160μs，场同步脉冲前沿滞后场消隐脉冲前沿2.5TH。含有复合同步脉冲的电视信号波形如图1-12所示，奇数场的最后一个行同步脉冲的前沿与场同步脉冲的前沿间距为TH/2，而偶数场最后一个行同步脉冲的前沿与场同步的前沿间距为TH，所以行同步的位置在奇数场和偶数场中有半行之差，从而保证了隔行扫描的要求。图1-12行、场电视信号1.3.4开槽脉冲与均衡脉冲

由于场同步脉冲宽度为2.5TH，会遮盖2～3个行同步信号，可能造成此期间行不同步现象。为了保证在场同步信号期间，行同步依然有效，于是在场同步信号内开了几个小凹槽，利用凹槽的后沿作为行同步的前沿。图1-13(a)、(b)分别代表连续两场的开槽后的复合同步信号波形，凹槽叫做开槽脉冲，其宽度为4.7μs。图1-13场同步脉冲开槽后复合同步信号的分离场同步信号的宽度比行同步信号的宽度大得多，在接收端可以用积分电路从复合同步信号中取出场同步信号。由于奇数场和偶数场的场同步信号的前沿和前面一个行同步信号

的间距分别为TH和TH/2，因此通过积分电路后，奇、偶场同步信号的积分波形不一样，当经过同一电平去控制场扫描电路工作时，两场的扫描起始点就产生了时间差Δt=t3－t2，如图1-13(c)所示。隔行扫描要求两场的场扫描时间必须相等，才能保证偶数场的扫描行准确地嵌套在奇数场各扫描行之间。如果两场扫描时间不相等，就不能保证准确的隔行扫描，严重时将会产生并行现象，使图像的清晰度大为下降。因此上述时间差Δt必须设法予以消除。在场同步脉冲持续期间及其前后若干行内，将行同步脉冲的频率提高一倍，这样就使这一段时间内偶数场与奇数场的同步脉冲波形完全相同，如图1-14所示。因此经过积分后的输出信号波形就一致，从而消除了时间差Δt。场同步脉冲前后的窄脉冲分别称为前均衡脉冲和后均衡脉冲。我国电视标准规定，前、后均衡脉冲各为5个，各占2.5TH时间。场同步脉冲内开5个槽。图1-14均衡后的同步脉冲信号1.3.5全电视信号的特点

将上述各种信号进行叠加，即构成全电视信号，其波形如图1-15所示。

由图可知，图像信号在扫描正程传送，消隐和同步信号在扫描逆程传送。同步信号与消隐信号虽然重叠，但幅度不同，故也不会造成干扰。这种叠加法还有利于将来用幅度分离法分离同步信号。由于各种周期性的辅助信号的最高频率不超过图像信号的最高频率，因此图像信号的频带宽度就是全电视信号的频带宽度，即6MHz。图1-15黑白全电视信号全电视信号有如下三个特点。

1．脉冲性

全电视信号是由图像信号、同步信号、消隐信号等多种信号组成的。虽然图像信号是随机的，既可以是连续渐变的，也可以是脉冲跳变的，但辅助信号均具有脉冲性质，这使得全电视信号成为非正弦的脉冲信号。

2．周期性

由于采用了周期性扫描方法，全电视信号成为以行频或场频周期性重复的脉冲信号，因此，无论对于静止还是活动图像，其全电视信号的主频谱为线状离散性质，各主频谱处在行频及其谐波频率上，如图1-16所示。对于静止图像而言，其主频谱线两侧将出现以场频间隔(mfv)的副频谱线，构成谱线簇；对活动图像而言，主谱线两边将出现连续谱带,它们的主要能量均集中在nfH附近，且非均匀布满，使每个谱线簇之间存在一些空隙，为在彩色电视中传送色度信号提供了条件。图1-16全电视信号频谱图

3．单极性

全电视信号包含有图像信号、复合同步信号及复合消隐信号等，它们的数值总是在零值以上或以下的一定电平范围内变化，而不会同时跨越零值上下两个区域，这称为单极性。

全电视信号有正极性与负极性之分，图1-15所示即为负极性黑白全电视信号波形图。

全电视信号中各辅助脉冲参数如下：行消隐脉宽为12μs，行同步脉宽为4.7μs，场消隐脉宽为1600μs，场同步脉宽为160μs，槽脉宽为4.7μs，均衡脉宽为2.35μs。 1.4电视信号的发送

全电视信号中包含很低的音频和直流分量，要想远距离传送图像信号以及伴音信号，需要采用调制的方法，即将图像信号与伴音信号分别调制在各自的高频载波上，形成高频

图像信号和高频伴音信号，再合成高频电视信号(或称射频电视信号)，经天线以电磁波的形式辐射出去。图1-17所示为电视发送示意图。摄像机把要传送的图像变换成相应的图像信号，送入电视信号产生设备进行放大和其他处理，然后加入复合消隐信号和复合同步信号，合成为黑白全电视信号。黑白全电视信号在图像发射机中用调幅方式调制在高频载波上后，送入双工器；电视的伴音也同时经过话筒变为相应的音频信号，送入伴音信号产生设备进行放大和处理后，再送入伴音发射机，伴音信号在伴音发射机中用调频方式调制后，形成伴音调频信号，也送入双工器；两者合用同一天线辐射出去。双工器的作用是防止干扰。图1-17电视发送示意图1.4.1图像信号的调幅

调幅是指用待传送的图像信号作为调制信号去控制高频载波的振幅，使其按图像信号的变化规律而变化。经过调幅后的高频波称为调幅波。对图像载频的调制有两种情况：一种是用负极性的图像信号对载频进行调制，称为负极性调制；另一种是用正极性的图像信号对载频进行调制，称为正极性调制。复极性调制与正极性调制如图1-18所示。图1-18负极性调制与正极性调制(a)负极性图像信号；(b)正极性图像信号；(c)负极性调幅波信号；(d)正极性调幅波信号我国电视标准规定，图像信号采用负极性调幅。采用负极性调幅具有下列优点：

(1)节省发射功率。一般情况下，一幅图像中亮的部分比暗的部分面积大，负极性调幅波的平均电平比正极性的低，因此负极性调制的平均功率比正极性调制小得多。

(2)抗干扰能力强。信号在传输过程中所受的干扰通常是以脉冲形式叠加在信号上，使调幅波包络电平增高，因负极性波的高电平为黑色电平，故负极性调制使外来的干扰信号在屏幕上显示为黑点，不易被人眼察觉。

(3)便于实现自动增益控制。对负极性调制来说，调幅波的同步顶电平就是峰值电平，便于用作基准电平进行信号的自动增益控制。由于图像信号的最高频率为6MHz，因此已调波总的带宽为图像信号最高频率的2倍(即12MHz)，如图1-19所示。过宽的频带不仅使电视设备复杂，而且在有限的频段内使电视频道数目减少，所以必须设法压缩频带。因调幅波的上、下边带含有的信息完全相同，如果采用只发送其中一个边带的单边带方式发送，虽可最大限度地压缩频带，但调幅波的低频分量很难滤除。因此电视系统对已调图像信号采用残留边带方式发送，即发送上边带的全部和下边带中0～0.75MHz的部分，0.75～1.25MHz为过渡带。也就是说，0.75MHz以内的图像信号采用双边带传送，0.75～6MHz的图像信号采用单边带传送，如图1-20所示。采用残留边带发送方式虽有效地压缩了高频带宽，但解调后的图像信号中，0.75MHz以下信号幅度是0.75MHz以上的两倍。因此在接收机中，为避免产生图像失真，在中频通道中，应采取适当的措施，使其幅频特性曲线在载频两边±0.75MHz范围内增益降低作为补偿。图1-19调幅波频谱图1-20残留边带信号频谱1.4.2伴音信号的调频

调频就是将欲传送的伴音信号作为调制信号去控制载波的频率，使载波的频率随伴音信号的幅度变化而变化。单频信号的调频如图1-21所示。调频制具有音质好、抗干扰性能优良等特点，电视系统中伴音采用调频制还可以减少与调幅图像信号间的串扰。图1-21单频信号调频在电视中，语音、音乐的频率范围为20～15kHz,系统采用的最大频偏Δfm为50kHz,高频伴音信号带宽约为130kHz。随着调制信号频率的增加，调频波的抗干扰能力变差，因此在伴音信号发送时采取“预加重”措施，人为地提高高音频分量的振幅，以加大频偏，提高高音频段的调频指数，改善抗干扰性能。接收端再进行“去加重”处理，恢复原伴音信号中高、低频分量振幅的比例，使声音不失真。电视系统中常采用图1-22(a)所示的RC电路实现预加重网络，其幅频特性如图1-22(b)所示。去加重网络和其幅频特性分别见图1-22(c)、(d)。图1-22预加重与去加重(a)预加重网络；(b)预加重网络的幅频特性；(c)去加重网络；(d)去加重网络的幅频特性1.4.3射频电视信号

组合已调全电视信号和已调伴音信号，就形成了在通道中传输的高频电视信号，即射频电视信号。它的波形是两者的叠加，而在频谱上，两者应相互错开以免干扰，并便于在接收端提取各自的信息。我国电视标准规定，一个电视频道(即电视台播放一套节目所占用的频率范围)所占的带宽为8MHz，伴音载频fs比图像载频fp高6.5MHz，伴音载频两侧留有0.25MHz的频带供已调伴音信号的上、下边带用。射频电视信号的总频谱特性如图1-23所示，图中标明的2、3频道图像载频fp2、fp3的间隔和1、2频道伴音载频fs1、fs2的间隔均为8MHz。而工作频道(2频道)的射频电视信号的总带宽则略小于8MHz。图1-23射频电视信号总频谱特性示意图1.4.4电视频道的划分

1.无线广播电视频道的划分

由于全电视信号的带宽为6MHz，其载频必须为30MHz以上的超高频，故射频电视信号的传输使用甚高频(VHF)和特高频(UHF)频段。每个频段划分为若干个频道。目前，我国使用的广播电视频道在VHF频段(米波段)设置1～12频道，在UHF频段(分米波段)设置13～68频道。表1-1列出了我国广播电视频道的划分。其中，接收机本振频率比图像载频高38MHz