电视信号与电视制式

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,彩色电视技术与维修实训,根据机械工业出版社同名教材,何丽梅 等编,1,第2章 电视信号和电视制式,教学目标,了解逐行扫描与隔行扫描的特点，电视广播的兼容制，彩色全电视信号的组成和特点，射频电视信号的调制方式和频谱。,理解亮度信号和色差信号的概念及形成过程。,掌握NTSC制的编码过程和PAL制编码的特点。,2,本章重点,本章主要介绍彩色电视图像的摄取与重现、彩色图像的传送原理等内容。重点介绍兼容制彩色电视制式，特别是PAL制彩色电视机的编码电路。研究与理解彩色全电视信号的产生过程，包括编码与调制技术。掌握系统中各个环节的作用以及它们之间的相互关系；掌握PAL制彩色电视广播方式的特点。,3,固体摄像器件，也称半导体摄像器件，技术上较成熟的有金属氧化物半导体（MOS）器件、电荷耦合（CCD）器件和电荷驱动（CPD）器件三大类，其中CCD器件应用最广，CCD是Charge Coupled Device（电荷耦合器件）的缩写。,2.1 图像信号的产生和扫描体制,4,彩色固体摄像机将固体摄像器件装在分色系统的成像面上，固体器件由几十万个顺序排列的、能在光的作用下产生电荷的小单元组成，当景物光线照射在其上时，小单元内便产生随光照强度变化的电荷，形成了像素。通过在每个像素单元的电极上顺序通电，就能把每个单元中积累的电荷转移出去，形成电视信号。,5,1.逐行扫描,一幅图像是由许多明暗不同的光点组成的。通常把这些明暗不同的光点称为像素。一幅清晰度良好的图像应包含几十万个像素。,顺序传送法：使电子束从左至右、自上而下地按一定的规律在靶面上运动，这样就可以使成像于靶面上的几十万个像素变成 对应的电信号，电子束的这种有规律的运动就称为电子扫描。,当电子束沿画面由上至下，一行紧接一行地扫描一遍时，就可将整个画面的像素先后变成电信号，这样的扫描方法叫逐行扫描。,2.1.3,扫描体制,6,a)投映至摄像管上的图像,b)第1、2行的电压波形,c) 第3行的电压波形,d) 第4、5行的电压波形 e) 第6行的电压波形,f) 第7、8、9行的电压波形,7,在电视技术中，一幅静止图像称为一帧，故电子束每秒沿垂直方向扫描出的完整图像数称为帧频，用,f,v,表示，因此，,f,v,=25 Hz,扫描一帧图像所需的时间称为帧周期，用,T,V,表示，它是帧频的倒数，即,T,V,=1/,f,v,=1/25=0.04s=40ms,2.1.3,扫描体制,8,电子束每秒沿画面作水平扫描的行数叫行频，用,f,H,表示。由于每帧图像扫描625行，每秒扫描25帧图像，所以,f,H,25 62515625Hz,水平扫描一行的时间叫行周期，用,T,H,或,H,表示，它是行频的倒数，即,T,H,=,H,=1/,f,H,=1/15625=6410-6=64s,以上几个物理量是描述行、帧扫描的重要参数。,2.1.3,扫描体制,9,行扫描中电子束从左到右是正程，正程时间约52s，从右到左是回程也叫逆程，时间约12s。帧扫描中从上到下是正程，自下而上是逆程，逆程扫描的行数为 50行，正程扫描的行数为 625-50575行。,正程扫描期间输出电视信号，帧扫描正程575行，一帧图像的像素为 575 76644万个，每秒钟扫描 25帧图像，每秒钟在屏幕显现的像素有 25 44万个=1100万个，每秒钟图像信号电压的变化为 1100/2万次，约550万次。可知图像信号的最高频率为5.5MHz，为留有余量，我国规定，图像信号的最高频率为6MHz。,2.1.3,扫描体制,10,2.隔行扫描,每秒传送25帧图像会产生闪烁现象。如果由增加每秒传送画面的帧数来解决必然导致电视频宽的增加。为了解决这一矛盾，采用了将一帧图像分为两场扫描，先扫描1，3，5，行，称为奇数场，再扫描2，4，6，行，称为偶数场。,在电视技术中把这种方法称为隔行扫描。,这样每秒传送图像的帧数不变，每帧图像扫描的行数也不变，因而不会增大电视信号的频带宽度，从而较好地解决了频带宽度与传送活动图像产生的闪烁现象之间的矛盾。,2.1.3 扫描体制,11,图2-6 逐行扫描与隔行扫描,a)逐行扫描 b)隔行扫描,12,图2-7 隔行扫描重现图像示意图,13,每秒扫描的场次数称场频,f,z,，由于每帧分两场，故场频,f,z,f,v,225 2=50Hz,场周期,T,z,=20ms，每场扫描的行数为 312.5行，其中逆程为 25行，正程为287.5行。为保证隔行扫描的准确性，避免出现并行现象，奇数场应结束于最末一行的一半，然后回扫；偶数场是扫完最后一行后才回扫。,2.1.3,扫描体制,14,2.2彩色电视图像的亮度与色差信号,2.2.1兼容制的要求,所谓“兼容”就是彩色电视广播信号在采取一定的技术措施后，可以在黑白电视广播的原有频道内进行传送，使原来的黑白电视接收机也可以接收彩色电视广播信号，而彩色电视接收机也能接收黑白电视广播信号。我国现行的彩色电视广播是采用与黑白电视广播兼容的PAL制。,15,2.2.1兼容制的要求,为了实现兼容，电视台发出的彩色全电视信号应具备以下特点：,1) 既含有色差信号也含有亮度信号，色差信号代表彩色图像信号，亮度信号代表黑白图像信号。,2) 和黑白电视信号共用同一频道时，频带宽度、图像载频和伴音载频沿用黑白电视制式的规定。,3) 行、场同步信号和扫描制式与黑白电视制式相同。,16,2.2.2 亮度信号和色差信号,1.亮度信号,白光可由红、绿、蓝三种基色光组成。强度不同的白光，产生不同的亮度感，因此亮度信号,Y,也可由红、绿、蓝三种基色信号组成。在电视系统中，根据人眼的视觉特性，用显像管三基色配出1单位白光量的关系式是：,Y,0.30,R,0.59,G,0.11,B,（2-1）,式中，0.30，0.59，0.11分别是,R,，,G,，,B,的可见度系数。,式（2-1）称为亮度方程，它表明显像管三基色量与合成亮度之间的关系。,17,2. 色差信号,在彩色电视中色差信号有下列三种，即,U,R-Y,U,R,U,Y,0.70,U,R,0.59,U,G,0.11,U,B,U,B-Y,=,U,B,U,Y,0.89,U,B,0.30,U,R,0.59,U,G,U,G-Y,=,U,G,U,Y,0.41,U,G,0.30,U,R,0.11,U,B,当传送黑白信号时，,U,R,U,G,U,B,，则上述三个色差信号都为零，即在传送黑白信号时不存在色度信号对亮度信号的干扰，这就是用色差信号传送图像彩色信息的优点。,18,三个色差信号不是完全独立的，每个色差信号可以由另外两个色差信号求得。根据亮度方程，可以求出三个色差信号之间的关系。,U,G-Y,=0.51,U,R-Y,0.19,U,B-Y,(2-6),U,R-Y,=1.97,U,B-Y,0.37,U,G-Y,（2-7）,U,B-Y,=2.70,U,R-Y,5.36,U,G-Y,（2-8）,上述论证表明任何两个色差信号通过矩阵变换可以得到第三个色差信号，所以电视图像的色彩只要传送两个色差信号就行了。彩色电视制式都选择,U,R-Y 和,U,B-Y来传送图像的彩色信息。,19,图29 三基色还原电路,20,图210,U,G-Y,信号形成,21,2.2.3 彩条信号,标准彩条信号显现在彩色电视机屏幕上是一组包含三个基色、三个补色以及白色和黑色共八种彩色的等宽竖条，其彩色排列顺序按亮度递减从左到右依次为：白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑。彩条电压波形是在一周期内用三个宽度倍增的理想方波构成的三基色信号。彩条信号常用做校正彩色电视机工作状态的标准信号，熟悉彩条信号的波形对彩色电视机的检测是十分重要的。,22,2.3 彩色电视信号的编码过程,为了实现兼容的要求，彩色电视台既要传送亮度信号，也要传送色度信号，而占有的带宽又不能超过黑白电视所规定的带宽，这就需要对这几种信号进行特殊的组合处理，这个过程称之为编码。目前，世界上现存三大彩色电视编码制式:,NTSC制、PAL制和SECAM制。,23,1.亮度信号的频谱,亮度信号的频宽为6MHz，但它并没有布满，而是留有许多空隙。当传送图2-12 a所示的在垂直方向黑白相间的图像时，它的信号波形为矩形脉冲波。矩形脉冲波可用频率等于它的1，3，5，奇次倍的正弦波来合成，这些正弦波称为谐波，如图2-12b所示，图 b中的点划线和虚线表示一次谐波（基波）和三次谐波。也即是说，矩形脉冲波含有1，3，5，等奇次谐波，它的频谱（即信号的能量按频率分布的图线）如图c所示。,2.3 彩色电视信号的编码过程,24,图2-12 矩形脉冲波的频谱a) 垂直方向黑白相间的图像 b) 基波与谐波合成矩形波 c ) 矩形脉冲波的频谱,25,图2-13 典型图像的信号及其频谱,如果传送图像的亮度在垂直方向与水平方向都有变化，如图2-13c所示, 其频谱是在图 2-13b 频谱的基础上，即各行频谱线的左右，对称地分布着帧频频谱线。这些行频线称为主谱线。,26,图2-14是复杂的活动图像的频谱，它是以行频和它的高次谐波为主谱线、帧频及其高次谐波对称地分布在它的两侧的离散频谱群。由于高次谐波很快衰减，故其能量集中在主谱线附近很窄的频带内。由图可见，在主谱线之间存在大量空隙。如静止的或动作缓慢的图像，空隙为主谱线间距的93.6%。对于活动的图像，空隙小些，也占60%70%。,27,图2.14 活动图像的频谱,28,2.频谱间置原理,既然亮度信号的主谱线之间存在大量间隙，就可以把色度信号插到其间来传播。彩色电视系统需对色度信号进行调幅处理。既是调幅，就要选择一个载波，为了避免与高频发射时的载波相混淆，这个载波称为色副载波,f,SC,。色副载波要求选在1/2行频处，但选在视频频带的低端，会使副载波形成的亮点干扰明显。因此选在高端的283,f,H,与 284,f,H,之间，即 283.5,f,H,，由此得出副载波的频率为,f,SC,=(283.515625) MHz =4429687.5Hz 4.43MHz,29,色度信号对,f,SC,进行调幅，形成的调幅波主频谱为,f,SC,f,H,与,f,SC,f,H,，其高次谐波为,f,SC,2,f,H,，,f,SC,3,f,H,等，频谱结构如图2-15 c所示。把亮度信号和色度信号相加，色度信号刚好嵌置于亮度信号之间的空隙中，如图2-15 d 所示，这就是频谱间置原理。,30,a)亮度信号的频谱 b)色度信号的频谱 c)已调色度信号的频谱 d)彩色全电视信号的频谱,图2-15 频谱间置原理,31,图2-16 调幅波频谱,图2-17 色度信号和亮度信号带宽,32,色度信号的副载波选在4.43MHz，比视频频带的上限6MHz低1.57MHz。人眼对色彩的分辨力远低于对黑白物体的分辨力，其带宽一般取 1.3MHz，这样色度信号的上限频率为 (4.431.3) MHz =5.73MHz，未超过亮度信号的上限频率 6MHz。色度信号在亮度信号的频带占的位置如图 2-17所示。由于色度信号对,f,SC,进行调幅，调幅后的色度信号带宽为1.3MHz。,33,3.平衡调幅,为了提高调制效率和调幅波的信噪比，色度信号对副载波调制过程中是将副载波抑制掉，单输出上边频和下边频，这种调制方式称为平衡调幅，产生平衡调幅波的电路称为平衡调幅器。,将调制信号,U,B-Y,和色副载波信号sin,SC,t,输入到平衡调幅器，在输出端就输出平衡调幅信号,U,B -Y,sin,SC,t,。其输出信号为两输入信号的乘积。故平衡调幅器是一个乘法器，其原理框图如图2-18所示。,34,图2-18 平衡调幅器原理,35,4.正交平衡调幅制（NTSC制）,(1)正交平衡调幅,色度信号有两个：,U,R-Y,和,U,B-Y,。为了不使两色度信号互相干扰而又不增加副载波，可将两色差信号分别调制在频率相同、相位相差90的两个副载波上，再将两个平衡调幅信号相加输出，这就完整地解决了色度信号的编码问题，这种制式称为正交平衡调幅制，即NTSC制。,正交平衡调幅原理框图如图2-19a所示。,36,图2-19 正交平衡调幅a) 原理框图 b) 色度信号的矢量图,37,5.NTSC制的特点,1) 兼容性好，副载波对图像的干扰小，彩色清晰度高。,2) 接收机电路较简单，容易集成化。,3) NTSC制的缺点是对相位失真较敏感。在彩色电视信号的整个传输过程中，存在着亮度、色饱和度和色调失真。亮度失真影响图像灰度的深浅，色饱和度失真影响颜色的深浅，但人眼对这些失真不敏感。而对色调的失真却很敏感，色调失真是由彩色信号在传输过程中产生的相位失真引起的。,38,2.3.2 PAL制的编码过程,所谓编码，就是把三基色电信号R、G、B编制成彩色全电视信号的过程，编码器就是用来编码的电路。,PAL制编码器的组成如图2-30所示，基本上与NTSC制编码器相同，只是多了一个PAL开关，它把加于,V,平衡调幅器的色副载波逐行倒相。其编码过程简述如下：,39,由摄像机送来的三基色信号,U,R,，,U,G,，,U,B,经编码矩阵电路变换成亮度信号,U,Y,和色差信号,U,R-Y,，,U,B-Y,。亮度信号经过放大并加入复合消隐和复合同步信号后，再经过延时均衡之后送入加法器（信号混合电路）。,U,，,V,色差信号经过低通滤波器限制频带后，再分别加入,K,和+,K,色同步选通脉冲，然后送至各自的,U,，,V,平衡调幅器进行平衡调幅。,U,平衡调幅器送入0相位的色副载波，而,V,平衡调幅器送入90逐行倒相的色副载波。,40,90色副载波的产生是先将0色副载波经90移相器移相90后，再经过 PAL开关逐行倒相成90色副载波，控制PAL开关工作的信号是半行频控制脉冲。,U,，,V,平衡调幅器输出的已调波分别为,F,U,和,F,v,，把这两个已调波在加法器中相加便形成包括色同步信号的色度信号，它和包括复合消隐、同步信号的亮度信号在加法器相混合，就形成了彩色全电视信号。,41,图2-30 PAL制编码器原理,42,2.4 彩色全电视信号的组成和特点,我国彩色电视制式中规定：负极性亮度信号仍以扫描同步电平最高，为100%，黑色电平即消隐电平为72.5%77.5%，白色电平为10%12.5%。色度信号电平叠加在亮度信号电平上，它们叠加后的复合信号波形，与扫描所需的行、场同步信号，色同步信号以及消隐信号共同构成了彩色全电视信号，用FBAS表示（或CVBS、FYAS等）。,43,PAL制彩色全电视信号与NTSC制彩色全电视信号的组成元素是相同的，即：彩色全电视信号=图像信号+消隐信号+同步信号，如图2-31a所示。其中，色度信号和亮度信号组成图像信号。,44,1.图像信号,图像信号包含色度信号（,F,）和亮度信号（,Y,），它是摄像管在正程扫描时产生的，如图2-31b所示。图像内容越复杂，则信号的频率成分越丰富。按我国电视制式规定，图像信号的最高频率为6MHz。,45,2.消隐信号,电子束正程扫描时，输出图像信号。电子束回扫时，将产生快速的回扫线，它对正常的画面起干扰作用。为了消除回扫线，就要加入一个信号，使电子束回扫时显像管截止，这个信号叫消隐信号。消除行逆程的叫做“行消隐信号”；消除场逆程的叫做“场消隐信号”。行消隐信号在行逆程期间发出，它实质上是一个矩形脉冲，脉冲宽度为12s。为使电子束截止，其幅度应与图像的黑色电平相同，如图2-31c所示。,46,场消隐信号于场扫描回扫时发出，它的波形、幅度与行消隐相同，但脉冲宽度与行消隐不同。场消隐的时间为,25,H,2564s1600s1. 6ms,行、场消隐信号也可合称为复合消隐信号。,47,3.同步信号,为了使电视机重现的图像与摄像机拍摄的图像方位完全一致，就必须要求接收端显像管电子束的扫描与发送端摄像机的电子束扫描完全“同步”，即扫描的快慢（频率）和扫描的起始位置（相位）完全相同。如果场扫描不同步，电视机的图像将向上或向下移动，或者在垂直方向出现如图2-32a所示的图像。如果行不同步，则整个图像将出现向左下或向右下倾斜的黑白相间的条纹，如图2-32b所示。如果频率一样，但相位不同，接收机显现的图像如图2-33所示，中间的黑带就是消隐信号。,48,图2-32 行、场不同步对图像的影响 a) 场不同步 b) 行不同步,49,图 2-33 相位不同对图像的影响a)行相位不准确 b)场相位不准确,50,在电视台中，由“同步机”发出行、场同步信号。为了不影响图像信号，行、场同步信号在行、场扫描逆程期间发出，它也是一种矩形脉冲。为了有别于消隐信号，行、场同步信号的电平比消隐信号更高，但脉冲宽度较窄。行同步信号的脉宽为4.7s，场同步脉宽等于2.5个行周期，即2.564s160s。行同步信号如图2-31d所示，场同步信号如图2-34所示。,行、场同步信号也合称为复合同步信号。,51,图2-34 场同步信号,52,4.色同步信号,在传输彩色信号时，由于对,V,、,U,信号进行平衡调幅，抑制掉了色副载波分量，因而在接收机必须要恢复副载波，才能从平衡调幅信号中解调出色度信号。接收机恢复的副载波还必须与电视台的副载波同步，因而电视台必须发出色同步信号，以作为接收机恢复副载波的基准。,53,54,色同步信号是一串有911个副载波周期的正弦波，相对幅度为0.215（白电平为1）；其维持时间为2.250.23s，位于行消隐期间，行同步信号之后，叠加在黑电平上，与行同步脉冲后沿相距0.9s，如图2-28所示。色同步信号有幅度和相角, NTSC制的色同步信号相位与,U,信号相差180。,55,2.4.2 彩色全电视信号的特点,1. 独立性,参于混合的各种信号均保持着独立性，也就是说，可用各种方法将它们一一分离。例如色度与亮度信号在时域重叠而在频域交错，色度与色同步在频域重叠而在时域交错，扫描用的同步与消隐信号在频域、时域均重叠，但在所处电平高低上有区别，它们与图像信号在时域交错，互不干扰。,2. 单极性,它是视频单极性信号，既有直流成分，又含交流成分，且是上下不对称的信号，占有0 6MHz的频带宽度。,56,3. 周期性,对静止的图像而言，其电视信号以帧为周期，其场间、行间相关性也较大；对活动图像而言，则可说是帧间、行间相关性较大的非周期信号，但其同步与消隐信号仍是周期性的。,4. 兼容性,它是黑白、彩色电视接收机都能使用的兼容性电视信号。,57,2-17填空:,(1) 我国彩色电视采用（,PAL,）制形式。行周期是(,64s,)，场频是（,50Hz,）。利用（,隔行扫描,）的办法把一幅画面分成两场。电视发射频道的带宽是（,8MHz,）。,(2) 行同步信号的电平为（,100%,），场同步信号的电平为（,100%,）。行消隐脉冲的宽度为（,12s,），场消隐脉冲的宽度为（,1. 6ms,）。,思考与练习(部分答案),58,(3) 日本的电视制式规定：每幅画面扫描525行，隔行扫描，场频为60Hz，该电视制式的帧频是（,30Hz,）、帧周期是（,33ms,）、行频是（,15750 Hz,）、行周期是（,63.49s,）。,(4) 高频图像信号的调制方式是（,调幅方式,）。,(5) 电视伴音信号的调制方式采用(,调频,) 制。,(6) 负极性图像信号是指图像信号的电压高低与图像亮度 (,成反比,)。,59,2-18判断题（在题后的括号内填写或）,(1) 隔行扫描是将每幅图像分两场扫描，先扫1,3,5行，称为奇数场，再扫2,4,6行，称为偶数场。（,）,(2) 按照我国的电视制式，显像管屏幕上可以看到的光栅总数为625行。（,）,(3)行、场同步脉冲的幅值相等、宽度相同。 （,）,(4) 如果行或场消隐信号不起作用，则显像管屏幕上会出现较亮的行或场回扫线（自右至左）/（自下而上）。（,）,60,(5) 负极性全电视信号（或视频信号）中的高电平代表白色图像，低电平代表黑色图像。（,）,(6) 由于在编码过程中对色差信号进行了压缩处理，因此在相应的解码器中必须对解调出的色差信号进行去压缩处理。（,）,(7) PAL制是利用逐行倒相技术，对相邻两行的色信号相加平均来克服相位失真的。 （,）,61,(8) 美国、日本等国家使用的NTSC制电视机，视频信号带宽只有4.2 MHz。（,）,(9) 爬行现象是PAL制彩色电视机所特有的故障现象。（,）,(10) 电调谐式高频调谐器一般采用反向AGC控制方式。 （,）,(11) 按照我国的电视制式，显像管屏幕上可以看到的光栅总数为575行。(,),62,19.选择题,(1) 我国电视机的图像信号采用残留边带制方式发射的原因是为了（,b,）。,a.增加抗干扰能力 b.节省频带宽度,c.提高发射效率 d.衰减图像信号中的高频,(2) 三基色原理说明，由三基色混合得到的彩色光的亮度等于 (,d,) 。,a红基色的亮度 b绿基色的亮度 c蓝基色的亮度 d三个基色亮度之和,(3) 我国电视标准规定：每个频道的频带宽度为 (,b,)。,a.4.2 MHz b.6 MHz c.8 MHz d.12 MHz,(4) 我国电视标准中，伴音调制信号的带宽为 (,d,) kHz。,a.5 b.15 c.30 d.130,63,(5) 美国、日本等国家采用的NTSC制电视机，第二伴音信号的频率为（,d,）。,a.3.58 MHz b.4.2 MHz c.4.5 MHz d.6.5 MHz,(6) 色同步信号的位置处于（,a,）。,a行消隐前肩 b. 行消隐后肩 c.行扫描正程 d.场扫描正程,(7) 逐行倒相正交平衡调幅制指的是 (,b,)。,a. NTSC制 b. PAL制 c. SECAM制 d. NTSC制和PAL制,(8) PAL制编码器输出的信号是 (,b,)。,a.三个基色信号 b.彩色全电视信号 c.三个色差信号 d.亮度信号,64,(9) 色同步信号的作用是 (,b,)。,a.形成FBAS信号 b.形成副载波 c.分离色度信号 d.同步检波,(10) 实现频谱交错时，PAL制采用了(,c,)。,a.行频间置 b.半行频间置 c .四分之行频间置 d. 四分之三行频间置,(11) PAL制彩色电视机中传送的两个色差信号是 (,b,)。,a. R-Y，G-Y b. B-Y，R-Y c. G-Y，B-Y d. G+Y，B+Y,(12) 彩色图像的细节部分主要与 (,d,) 信号有关。,a. R-Y b. G-Y c. B-Y d. Y,65,(13) 在我国电视广播中，(,00.75 MHz,)范围内的图像信号是采用双边带传送的。,a.00.55 MHz b.00.65 MHz c.00.75 MHz d.00.85MHz,(14) PAL_D与PAL_I制式的区别是(,第二伴音中频,)不同。,a.亮度信号带宽 b.色副载波频率 c.第二伴音中频 d.行、场扫描频率,(15) 电调谐式高频调谐器的调谐电压一般为 (,030 V,)。,a.020V b.030 V c.040 V d.050V,66,谢 谢！,67,