电视基本原理和现代电视关键系统

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1、第一章 电视基础知识 电视广播有开路（无线）与闭路（有线）之分。开路系统即 无线电视广播系统，其原理与语音广插系统类似 ，它除了要传送 伴音信号外、还要传送图像信号，其原理框图如图1-2所示。在发 端由光电转换设 备(摄像机)将图 像光信号转变为 电信号(称为视频 信号)，再经过一 系列加工处理， 然后调制到图像 载频上而形成高 频射频图像信号。同时，将伴音信号调制到伴音载频上形成高频 射频伴音信号，与高频图像信号共用一副天线发射出去。在接收 端，电视接收天线将高频图像及伴音信号一起接收下来，并还原 出图像信号和伴音信号。利用图像信号由显象管重现原图像，而 伴音信号则经扬声器恢复出伴音。 11

2、 电子扫描 111像素的概念 1像素 一幅平面图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，总 可以看成是由许许多多的小单元组成。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。 一幅黑白平面图像，表 征它的特征参量是亮度。这 就是说，组成黑白画面的每 个像素，不但有各自确定的 几何位置，而且它们各自还 呈现着不同的亮度；又由于 电视系统传送的是活动图像 ，因而每个在确定位置上的 像素其亮度又随时间不断地 变化着, 也就是说像素的 亮度又是时间的函数。可见，像素亮度既是空间（二维）函数，同 时又是时间函数。 2图像帧 电视系统中把

3、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。 3并行传输 （无法实现） 理论上讲，可同时把不同位置上具有不同亮度的像素转变成 相应的电信号，再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去 。 4 串行传输（实际应用） 根据人的视觉惰性，可把组成一帧图像的各个像素的亮度按 一定顺序一个一个地转换成相应的电信号并依次传送出去，接收 端再按同样顺序将各个电信号在对应位置上转变成具有相应亮度 的像素。这种像素的串行传输具有两个特点： 第一是要求传送速度快。只有传送迅速，传送时间小于视觉 暂留时间，重现图像才会给人以连续无跳动的感觉； 第二是传送要准确。每个

4、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 原的的几何位置要一一对应。即收发双方应同步工作，同步在电 视系统中是十分重要的。 5顺序转换的实现 扫描 将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程（或逆 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。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。电视系统中，扫描多是由电子枪进 行的，通常称其为电子扫描。 通过电子扫描与光电转换，就可以把反映一幅图像亮度的空 间与时间的函数，转换为只随时间变化的单值函数（电信号）， 从而实现平面图像的顺序传送 112

5、 电子扫描的实现与光电与电光变换 电视图像的传送，在发端是基于光电转换器件，在收端是基 于电光转换器件，实现这两种转换的器件分别称为摄像管和显像 管。 1摄像管与光电转换 (光电导)摄像管是一 种电真空器件, 主要由镜 头、光电靶、电子枪、聚 焦线圈和偏转线圈组成。 光电靶由光敏半导体材 料构成，具有受光作用之 后电阻率变小的性能，靶 面上的光图像使靶面各单 元受光照的强度不同，因 而其各单元的电阻率不同 ，与较亮像素对应的靶单 元阻值较小，与较暗像素 对应的靶单元阻值较大。 这样一幅因像上各像素的 不同亮度就表现为靶面上 各单元的不同电阻值。 电子枪 涂覆 透明导 薄电膜 从摄像管阴极发射出

6、来的电子束，在电子枪的电场及偏转线 圈的磁场力作用下，高速、顺序地扫过靶面各单元。当电子束接 触到靶面某单元时，就使阴极、信号板(靶)、负载、电源构成一 个回路。在负载RL中就有电流流过，其电流大小取决于光电靶在 该单元的电阻值大小。光照强处，对应阻值较小、流过负载的电 流就较大，因而RL两端产生的压降也就较大，输出信号的电位也 就越低。 负极性信号 涂覆 透明导薄电膜 u 2显像管与电光转换 显像管是在接收端重现图像的电真空器件，主要由电子枪、 荧光屏、偏转线圈等组成。 由阴极发射出的电子束， 在偏转线圈所产生的磁场力作 用下，按从左到右，从上到下 的顺序依次轰击荧光屏。屏面 上涂有荧光粉，

7、在电子束轰击 下荧光粉发光，其发光亮度正 比于电子束携带的能量。若将 摄像端送来的信号加到显像管 电子枪的阴极与栅极之间，就 可以控制电子束携带的能量，使荧光屏的发光强度受图像信号的控 制。设显像管的电 光转换是线性的(实际为非线性的)，那么，屏 幕上重现的图像，其各像素的亮度都正比于所摄图像相应各像素的 亮度，屏幕上便重现了发端的原图像。 显像管内电子束偏转 这里需要说明的是；对于摄像管来说，光电转换特性可近似认为 是线性的；而显像管电光转换特性则是非线性的。显像管的显示 亮度(用Bd表示)，与其栅、阴极间电压(用ugk表示)的次方成正 比例，即 (1-1) 式中，Kd为比例常数，为显像管光

8、电转换持性的非线性失真系 数、通常23。由式(1-1)可见，电视系统中重现亮度与摄取 亮度之间存在着由于引起的非线性失真、这种失真常称为失 真。如果图像信号由发送端传到接收端的传输过程中未产生非线 性失真，考虑到显像管电光转换的非线性，为保持重现图像与原 景像亮度成正比，则需在摄像端预先将图像信号电压开次方， 即 （1-2） 式中，u0代表摄像电压，B0为摄像亮度，K0为比例常数。重现亮 度则为 (1-3) 由式(1-3)可见，经校正系统将不再产生非线性失真。 显象端也可，为何不用？ 113 电子扫描 将一幅图像上各像素相应的电信号，以及将这些顺序传送的电 信号再重新恢复为一幅重现图像的过程（

9、即图像的分解与重现）， 都是通过电子扫描来实现的。摄像管与显像管中，电子束按一定规 律在靶面上或荧光屏面上运动，即可完成摄像与显像的扫描过程。 1 电子束偏转的基本原理 电子扫描是通过电子束在偏转磁场的作用下发生偏转而实现的 。当装在摄像管或显像管的外面的偏转线圈中通过电流时，会产 显像管内电子束偏转 偏转线圈的结构 生偏转磁场，磁场的方向取决于流过线 圈的电流方向。电子束垂直穿过磁场时 ，在磁场力的作用下发生偏转，其偏转 方向遵从左手定则。若偏转线圈中电流 方向改变，则电子束的偏转方向也发生 改变；偏转线圈中的电流为零、则电子 束不偏转，射向荧光屏的中央。因此， 流过偏转线圈电流的幅度和方向

10、决定偏 转线圈中磁场的强弱和方向，最终决定 了电子束偏转角度的大小和方向。 2逐行扫描 当线圈偏转中分别流过行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应 的垂直方向与水平方向的偏转磁场，在这两个磁场的共同作用下， 使电子束作水平与垂直方向的扫描运动。 在锯齿波电流作用下，电子束产生自左向右、自上而下，一行 紧按行的运动，因而称其为逐行扫描。 扫描光栅演示 隔行扫描电流对比 光栅奇偶镶嵌演示 3隔行扫描 所谓隔行扫描，就 是在每帧扫描行数不变 的情况下，将每帧图像 分为两场来传送，这两 场分别称为奇场和偶场 。奇数场传送1、3、 15、奇数行；偶数场 传送2、4、6、偶数 行。世界各国都采用隔 行扫描的扫

11、描方式。 fH=1/TH =1/(TH S+ THR ) fV=1/TV =1/(TV S+ TVR ) 4 隔行扫描 的意义 在电视系统中、要使传送的图像清晰，并具有活动、连续而 又无闪烁感，则要求传送频率大于临界闪烁频率47Hz（人眼的临 界闪烁频率与图像的亮度、对比度等因素有关）。即每秒传送47 场以上的图像。因此，我国电视制式规定，场扫描频率fV为50 Hz ，每帧图像的扫描行数为625行。若采用逐行扫描的话，帧频与 场频相等。理论分析可以得出，电视图像信号的最高频率约为11 12MMz，可见视频信号带宽将相当宽。要传送频谱这样宽的信 号，不但会使设备复杂化，而且使在规定的可供电视系统

12、使用的 频段内可容纳的电视频道数目减少。如若为了减少带宽而降低场 频，将会导致重现图像的闪烁；减少每场扫描行数，又会降低图 像的清晰度。可见逐行扫描是无法解决带宽与闪烁感及清晰度的 矛盾。因而提出了既可克服闪烁感，又不增加图像信号带宽的隔 行扫描方式。 在我国隔行扫描每秒传送50场，即场频fV为50Hz，因而将有 效地降低闪烁感，帧频却为25Hz，隔行扫描即减小了闪烁感，并 使图像信号的带宽仅为逐行扫描的一半，大约为5.5MHz左右， 所以我国规定视频信号带宽按照6MHz分析计算。 闪烁频率演示 5 隔行扫描 的实现 这里要强调指出的是， 隔行扫描方式要求每帧扫描总行数为 奇数。因为只有这样，

13、在扫描锯齿波电流波形顶点位置对齐的情况 下方可使相邻两场均匀嵌套。其次，在隔行扫描中，整个画面的变 化是按场频重复的，它高于临界闪烁频率因而减少了闪烁感。但就 每行而言，它仍是按帧频重复的，即每40ms重复一次，每秒重复25 次，这是低于临界闪烁频率的。所以，当我们接近电视机观看时， 仍会感觉到行间闪烁；但当离开一定距离观看时，行间闪烁就不怎 么明显了。 忽略了扫描 的逆程的隔行扫 描光栅及扫描电 流波形示意图如 图示，实线表示 扫描的正程，虚 线表示扫描逆程 期间的回扫线。 （实际系统中回扫线被消隐掉了） 扫描光栅演示光栅奇偶镶嵌演示隔行扫描电流对比 6扫描电流的非线性对显示图像的影响 由于

14、电子束是在扫描正程期间传送图像信号的，因此在正程期 间要求扫描速度均匀，这就要求流过偏转线圈的电流线性良好，否 则重现图像将产生非线性失真。 若原图像为方格信号，当行、场扫描电流波形均为线性变化的 锯齿波时，重现图形无失真，仍为方格图形。当行、场扫描电流只 要有其中之一失真，显示的图形将出现非线性失真，图1-10(b)和(c) 分别表示行、场扫描电流其中之一出现非线性失真的情况。若二者 同时失真，将显示出复杂的失真图形。 行、场扫描电流幅度不 足时同样会产生失真。 114 我国广播电视扫描参数 (教材上没有，注意笔记) 扫描方式：隔行扫描。 行频 fH ：15625Hz； 场频 fV ：50

15、Hz（帧频25 Hz） ； 行周期TH：64s场周期TV：20ms 行正程时间THS：52s场正程时间TVS：18.4 ms 行逆程时间THR：12s场逆程时间TVR：1.6 ms 每帧扫描行数Z：625行每帧显示行数Z/：575行 每场扫描行数：312.5行每场显示行数：287.5行 115 图像的分解力（清晰度）与信号带宽 广播电视的扫描参数是在参数确定时的现有技术条件的制约 下，根据人们对电视图像清晰度的要求，经过折衷考虑而确定的 。扫描参数一经确定，其图像的清晰度和图像信号带宽亦随之确 定了。电视图像的分解力通常用能分辨黑白相间线条的线数来表 示。例如，说500线清晰度，则表示可以分辨黑白相间的线条的 总数为500条，即黑白相间的线条各250条。电视的分解力分为垂 直（方向）分解力和水平（方向）分解力。 1垂直分解力M 电视图的垂直分解力受每帧扫描行数Z的限制，实际上是受每 帧显示行数Z/的限制。理想条件下，M= Z/。但在实际上M与当时 的图像状态和扫描线的相对位置有关（如图示，圆点表示正在扫描 的电子束），则总是有MZ/。（