电视原理.docx

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电视原理

电视原理

（教案）

主讲教师：

李平

教材版本：

罗惠明等编著华南理工大学出版社出版1999.

授课班级：

物理系2000电子技术本科班

授课时间：

2002.9---2003.1

课总时数：

70

周课时数：

4

教案1.

内容：

第一章电视传象原理

1.1图象的传送

1.2电视扫描

重点：

1.电视传象的基本原理

2.隔行扫描

教学方法：

课堂讲解

第一章电视传象原理

电视的基本任务：

传送连续活动图象。

1.1图象的传送

根据电影的经验，连续活动图象可以看作由一系列静止图象组成，相邻图象只有微小差异。

以一定的速度一幅接一幅地放映这些静止图象，由于人眼存在视觉暂留现象，观看者感觉是连续活动的图象。

电影每秒钟放映24幅画面，图象的连续感已很满意。

椐此，电视传送连续活动图象的问题可以归结为以一定的速度一幅接一幅地传送静止图象。

我国规定，电视每秒传送25帧图象。

静止图象又如何传送呢？

图象的本质是光。

空间各点明暗程度不同，色度不同，就构成一幅图象。

若空间各点的位置随时间变化，就形成活动图象。

就是说，图象是由许多点的集合。

这些小点是构成图象的基本单元，称之为象素。

象素越小，单位面积上的象素数目越多，图象就越清晰。

一幅图象要比较清晰，至少要有四十万以上的象素。

我国规定，一帧电视画面分为625行，画面宽高比为4：

3，相当于833列，则一幅图象有50万象素组成。

显然，同时传送一幅图象五十万象素的信息，既不经济，而且技术上也很难实现，必须采用顺序传送法传送，即轮流逐点把各点信号进行传送。

只要收发两端同步且传送信息的速度足够快，由于人眼的视觉惰性，就会使人感到图象是完整的。

电视是通过摄象管中的电子束对图象的扫描来实现图象的分解的。

某一瞬间电子束所扫在图象的某一小块面积就相当于一个象素。

摄象管同时把该象素的信息转换为电信号输出。

即扫描和光电转换是同时进行的。

1.2电视扫描

通常，摄象管和显象管都采用磁偏转方式控制电子束的扫描运动。

电视常用直线型扫描，且是按照从左到右，从上到下的顺序进行图象的扫描分解的。

1.2.1水平扫描

电子束在水平方向上的运动称为水平扫描或行扫描。

行正程：

左右，传送图象，占52μS.

行逆程：

右左，不传送图象，占12μS.

行周期：

64μS.

行频：

15625HZ

1.2.2垂直扫描

电子束在垂直方向上的运动称为垂直扫描。

1.逐行扫描

从上到下依次扫描1，2，3，4，5，6，7，......行。

这种垂直扫描也称帧扫描。

这种逐行扫描方式的缺点是：

为了消除低频闪烁现象，帧频必须高于人眼的临界闪烁频率（约46—48HZ），一般取50HZ。

而此时对应图象的最高频率为：

fmax=每秒钟扫描的总象素数÷2=每帧图象象素数×帧频÷2

　　　=每帧行数×列数×帧频÷2

=625×833×50÷2≈12（MHZ）

这会造成频道资源的浪费和设备成本的提高，是不利的。

2.隔行扫描

电影每秒放映24幅画面，若每幅画面只放一次，银幕上每秒亮暗24次，会造成低频闪烁现象。

如为了消除低频闪烁现象而提高每秒放映的画面数量，势必会增加胶片的消耗。

电影采用了所谓二次暴光技术，即一幅画面放两次，才换下一幅画面。

这样，每秒放映的画面数还是24幅，但每幅画面放2次，一秒钟银幕亮暗次数变为了50次，既没有增加胶片的消耗量，又消除了低频闪烁现象。

受电影的启发，电视也将一帧画面分两次扫描，先扫描1，3，5，7...等奇数行，组成奇数场，再扫描2，4，6，8...等偶数行，组成偶数场两场的扫描线互相套嵌，合起来刚好是一帧完整的图象。

这种扫描方式称为隔行扫描。

其对应的垂直扫描称为场扫描。

显然，1帧=2场。

这样，每秒钟只须传送25帧画面，图象信号的最高频率减少了一半，即变为6MHZ，而由于1帧=2场，则每秒钟传送25帧，就有每秒钟50场，每秒钟亮暗50次，不会产生低频闪烁现象。

因此，隔行扫描的优点是，在不产生低频闪烁现象的前提下，降低图象信号的最高频率。

反过来，也可以这么说，在不提高图象信号的最高频率的前提下，消除低频闪烁现象。

场正程：

上下，传送图象，占18.4mS.

场逆程：

下上，不传送图象，占1.6mS.

场周期：

20mS

场频：

50HZ

教案2.

内容：

第一章电视传象原理

1.3全电视信号

重点：

全电视信号的组成、参数、作用

难点：

同步信号部分

教学方法：

课堂讲解

1.3全电视信号

全电视信号由图象信号、消隐信号、同步信号组成。

1.3.1图象信号

图象信号是全电视信号中的主要信号，它反映图象空间各点的亮度和色度信息，即代表图象的内容。

图象信号的极性

正极性图象信号：

图象（象素）越亮，电平越高；图象（象素）越暗，电平越低。

负极性图象信号：

图象（象素）越亮，电平越低；图象（象素）越暗，电平越高。

我国采用负极性图象信号传输。

1.3.2消隐信号

消隐信号的作用是消除回扫亮线。

消隐信号分为行消隐信号和场消隐信号。

1.3.4同步信号

同步信号分为行同步信号和场同步信号

同步信号的作用是：

保持收发两端电子束扫描步调严格一致。

只有这样，接收端才能得到正确的图象。

如若不然，就会出现问题。

1.收发两端相位不同步

①行相位不同步：

接收端图象将出现左右分裂且左右内容互换，中间一条垂直消隐黑杠。

②场相位不同步：

接收端图象将出现上下分裂且上下内容互换，中间一条水平消隐黑杠

2收发两端频率不同步

①行频不同步：

若接收端行频高于发送端，接收端将出现从左上方往右下方倾斜的黑白相间的斜条；若接收端行频低于发送端，接收端将出现从右上方往左下方倾斜的黑白相间的斜条。

②场频不同步：

若接收端场频高于发送端，接收端将出现图象向下翻滚；若接收端场频高于发送端，接收端将出现图象向上翻滚。

不同步故障示意图

1.3.5全电视信号的波形（负极性）：

1.3.6小结：

全电视信号的组成、参数、作用

信号

时域

频域

周期

脉宽

幅度

作用

图象信号

行场扫描正程

0─6

MHZ

─

─

10％

反映图象空间各点亮度、色度信息

行消隐信号

行逆程

─

64μS

12μS

75％

消除行回扫亮线

场消隐信号

场逆程

─

20mS

1.6mS

75％

消除场回扫亮线

行同步信号

行逆程

─

64μS

4.7μS

100％

保持收发两端电子束行扫描步调严格一致

场同步信号

场逆程

─

20mS

160μS

100％

保持收发两端电子束场扫描步调严格一致

作业：

全电视信号的组成、参数、作用

教案3.

内容：

第一章电视传象原理

1.4色度学基础

重点：

1.辨色原理

2.三基色原理

3.大面积着色原理

4.亮度公式及其物理意义

难点：

辨色原理

教学方法：

课堂讲解

1.4色度学基础

1.光：

本质上是一种电磁波，可见光的波长在380—780nm。

2.色光：

不同波长的光，给人的感觉就是颜色不同。

波长由长到短（780—380nm），呈现的颜色依次为：

红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

3.辨色原理：

人眼中有三种感光细胞，它们具有不同的光敏特性，分别对红、绿、蓝三种颜色的光反应最敏感。

当一束光照到人眼时，这三种感光细胞均产生一定的响应，波长不同三种感光细胞的响应就不同，人脑就是根据三者的比例来分辨颜色的。

若三者的比例保持一定，而三者的总和改变，给人的感觉是颜色不变，只是亮度改变。

即人脑就是根据三者的总和来确定亮度的。

4.三基色原理：

基于辨色原理，只要选择红、绿、蓝三种基本颜色（基色），改变这三种基色混合的比例，人脑就会产生各种各样颜色的感觉。

换言之，用红、绿、蓝三种基色按一定的比例混合，可以获得任一种颜色；反之，任何一种颜色也可以分解成红、绿、蓝三种基色。

5.配色图

红+绿=黄，绿+蓝=青，蓝+红=紫，红+绿+蓝=白

6.混色法：

相加混色法与相减混色法

相加混色法：

不同光源发出的光的直接迭加。

彩色显象管产生的图象属于相减混色法。

相减混色法：

不发光物体呈现的颜色属于相减混色法。

例如，树叶呈绿色，是因为它吸收白光中的红光和蓝光，反射绿光。

即：

绿=白―红―蓝。

空间混色法与时间混色法

空间混色法：

不同光点在空间位置上并不重合，但人眼分辨力有限，在一定距离外观看时看到的是综合效果。

彩色显象管产生的图象属于空间混色法。

它是同时制彩色电视的基础

时间混色法：

不同颜色的光轮流出现在同一空间位置，若轮换的速度较快，由于人眼的视觉暂留现象，看到的是它们的综合效果。

它是顺序制彩色电视的基础。

7.大面积着色原理：

人眼对黑白细节的分辨能力高，而对彩色细节的分辨能力较低。

在一幅黑白细节很清晰的图象上大块大块地涂上彩色，得到的彩色图象主观感觉其清晰度是很高的，彩色也是逼真的。

8.彩色三要素：

亮度：

描述彩色光的明暗程度

色调：

描述彩色的种类

色饱和度：

描述彩色的浓淡程度

9.亮度公式及其物理意义：

亮度公式：

Y=0.30R+0.59G+0.11B

物理意义：

①它反映了三基色含量与亮度间的关系

②三基色的系数分别表示其对亮度贡献的比例

③它是彩色电视编码、传输、解码、重现的重要理论基础。

教案4.

内容：

第二章彩色电视信号传输制式

2.1概述

2.2NTSC制（NTSC制的编码原理中的编码矩阵、幅度压缩、频率压缩）

重点：

1.兼容性必备条件

2.编码矩阵

3.幅度压缩

4.频带压缩

难点：

教学方法：

课堂讲解

第二章彩色电视信号传输制式

2.1概述

兼容性问题：

黑白电视机能够接收彩色电视信号；彩色电视机也能够接收黑白电视信号。

当然，这两种情况下得到的都只是黑白图象。

兼容性必备条件：

1.彩色全电视信号必须由亮度信号和色度信号组成，且以亮度信号为主，色度信号为辅。

黑白电视机接收到彩色全电视信号中的亮度信号，就可重现黑白图象。

色度信号对其来说是一种干扰，必须让其处于次要地位，且采取一定措施，设法减少其干扰。

彩色电视机则应设计成由亮度通道和色度通道组成。

当彩色电视机接收黑白电视信号时，色度通道自动关闭，只剩下亮度通道工作，重现黑白图象；而接收彩色信号时，亮度通道和色度通道同时工作，重现彩色图象。

2.彩色全电视信号的频带宽度必须与黑白全电视信号的频带宽度相同。

技术措施：

①利用大面积着色原理，压缩色度信号的带宽。

②利用频谱交错原理，将色度信号穿插到亮度信号频谱的空隙中去，实现亮度信号和色度信号共用亮度信号的带宽。

3.彩色全电视信号的其他参数（图象载频、伴音载频、调制方式、行频、场频等等）必须与黑白电视的参数相同。

彩色电视制式：

彩色电视的制式是指有关彩色电视编码、传输的方式、制度。

它由一整套的具体技术规范构成。

严格地说，只要其中有一项指标不同，就是一种不同的制式。

就色度信号处理来说，世界上有三种不同的制式：

NTSC制、PAL制和SECAM制。

2.2NTSC制

NTSC制是美国国家电视制制式委员会制定的一套兼容制彩色电视制式。

就其色度信号处理的特点来说，称为正交平衡调幅制。

NTSC制的编码原理

1.将R，G，B通过编码矩阵变换成Y，（R-Y），（B-Y）

变换目的：

满足兼容条件1。

即彩色全电视信号必须由亮度信号和色度信号组成且以亮度信号为主，色度信号为辅。

这里，Y代表亮度，（R-Y）和（B-Y）代表色度。

其次，选择色差信号（R-Y）和（B-Y）代表色度的原因是兼容效果好。

因为：

传输黑白图象时，色差信号自动为0。

证：

（R-Y）=R-（0.30R+0.59G+0.11B）

对于黑白图象，R=G=B，代入上式得

（R-Y）=R-（0.30R+0.59R+0.11R）=0。

同理可证（G-Y）=0，（B-Y）=0。

即使传输彩色图象，根据分析，图象上的大部分面积的色饱和度均较低，因此色差信号就很小，对亮度信号的影响就很小。

为什么只传送两个色差信号，而不须传送三个色差信号呢？

因为三个色差信号中只有两个是互相独立的。

证：

根据亮度公式Y=0.30R+0.59G+0.11B，

得0.30R+0.59G+0.11B-Y=0，

可化为0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0，

显然，三个色差信号只要有两个确定了，第三个也就确定了。

变换原理：

Y=0.30R+0.59G+0.11B

（R-Y）=R-（0.30R+0.59G+0.11B）=0.70R-0.59G-0.11B

（B-Y）=R-（0.30R+0.59G+0.11B）=-0.30R-0.59G+0.89B

2.对色差信号进行幅度压缩

变换目的：

防止色度信号与亮度信号迭加后形成的图象信号动态范围超标。

稍后我们将看到。

色度信号是一种既调幅又调相的正弦波，迭加到亮度信号后，若不加限制，高电平会超过同步头，会破坏接收机的同步分离，使图象不稳定；低电平会低于零轴以下，产生过调制失真。

这是不允许的。

变换原理：

设定最高和最低电平使之不超过规定范围，又使色度信号尽可能大，

求得（R-Y）和（B-Y）的压缩系数分别为0.877和0.493。

令

U=0.493（B-Y）

V=0.877（R-Y）

可以通过分压获得。

3.频带压缩

变换目的：

满足兼容条件2所采取的措施之一。

要满足兼容条件2，分两步完成。

首先要对色差信号的频带进行压缩。

为下一步频谱交错作准备。

变换的理论依据：

大面积着色原理。

大面积着色原理应用到彩色电视中，就是用宽带传输亮度信号，以获得清晰的黑白图象；以窄带传输色度信号，以压缩信号的带宽。

实验表明，将色度信号压缩到1.3MHZ时，绝大多数人感觉图象的彩色是比较满意的。

我国规定，色度信号的带宽为1.3MHZ。

变换原理：

利用低通滤波器，将高于1.3MHZ以上的高频滤去。

教案5.

内容：

第二章彩色电视信号传输制式

2.2NTSC制（NTSC制的编码原理中的正交平衡调幅）

重点：

1.频谱交错原理

2.副载波的选择

难点：

教学方法：

课堂讲解

4.平衡调幅

变换目的：

满足兼容条件2所采取的措施之二。

改变色差信号的频谱，使之与亮度信号的频谱错开，然后将其插入到亮度信号谱线的空隙中去。

频谱交错原理

由于图象信号是以一定规律逐行逐场扫描形成的，具有行相关性、场相关性，其频谱具有二维付里叶级数的形式，即图象信号的频谱是以行频及其谐波为主谱线，在主谱线两侧对称地分布着由场频及其谐波组成的谱线族。

谱线的能量主要集中在低频分量上。

谱线族之间具有很大的间隙。

事实上，亮度信号和色度信号是按相同规律扫描形成的，它们具有相似的频谱结构。

选择一个合适的副载波，将色差信号调制到副载波上，改变色差信号的频谱，使之与亮度信号的频谱错开，将已调色度信号与亮度信号迭加，实现亮度信号和色度信号共用亮度信号带宽。

这就是频谱交错原理。

副载波的选择：

1.满足频谱交错原理，实行1/2行频间置。

fsc=（n-1/2）fH

2.副载波的频率应尽可能选得高一些，可以减少干扰，但应使已调色度信号的最高频率不得超出亮度信号的最高频率。

因为，亮度信号谱线在高频端能量小，空隙大，色度信号置于亮度信号的高端，其受亮度信号的影响就小；同时，副载波选得越高，色度信号对亮度信号的干扰就越小（表现为网状条纹越细越密，越不容易察觉）。

取n=284,得

fsc=283.5fH

教案6.

内容：

第二章彩色电视信号传输制式

2.2NTSC制（NTSC制的编码原理中的正交平衡调幅）

重点：

1.平衡调幅原理

2.平衡调幅波的特点

3.正交调幅

难点：

平衡调幅波的数学表达式及其波形。

教学方法：

课堂讲解

变换原理：

在电子技术中，要改变一个信号的频谱是很容易的，只要将该信号调制到一个载波（副载波）上即可。

调制一般有三种方式：

调幅、调频、调相。

这里采用的是平衡调幅方式。

平衡调幅：

就是抑制载波的调幅。

即平衡调幅=普通调幅–载波。

平衡调幅波的数学表达式：

我们知道，一个低频信号UΩCosΩt对一个高频载波UωCosωt进行调幅时，所形成的调幅波为：

uAM=UωCosωt+（1/2）UΩCos（ω+Ω）t+（1/2）UΩCos（ω-Ω）t

平衡调幅波的数学表达式可以从普通调幅波的数学表达式中减去载波项而直接导出：

uBM=（1/2）UΩCos（ω+Ω）t+（1/2）UΩCos（ω-Ω）t

=UΩCosΩtCosωt

普通调幅和平衡调幅波的波形对比：

平衡调幅波的特点：

1.平衡调幅波不再包含载波分量。

2.平衡调幅波的的振幅仅与调制信号的振幅有关，而与载波的振幅无关。

调制信号为零时，平衡调幅波的振幅也为零。

3.平衡调幅波的相位由调制信号的极性和载波信号的极性共同决定。

4.平衡调幅波的包络不再是原来调制信号，不能用普通的包络检波检出调制信号，之能采用同步检波检出。

采用平衡调幅波的优点：

1.普通调幅波中，包含着一个幅度恒定且比有用信号（边频）幅度大很多的载波，从传递信息的角度来说，它是无用的。

如果色度信号采用普通调幅，这个副载波将对亮度信号产生很大干扰。

2.可以节省发射功率，或在功率一定时提高有用信号的幅度，提高色度信号的信噪比，改善彩色效果。

平衡调幅原理：

从平衡调幅波的数学表达式可以看出，平衡调幅波是调制信号与高频载波的乘积。

因此，可以利用一个模拟乘法器，将调制信号与高频载波相乘即可实现平衡调幅。

正交调幅：

将一个副载波分成两个正交分量Sinωt和Cosωt,由于两个分量正交，互不影响，可以看成是两个独立的副载波。

将两个色差信号分别调制到这个副载波的两个正交分量上，就叫做正交调幅。

正交平衡调幅：

将两个色差信号分别调制到一个副载波的两个正交分量上，并且抑制其副载波，就叫做正交调幅。

采用正交调幅的优点是可以节省一个副载波。

正交平衡调幅原理

将U信号与副载波的正弦分量相乘，得到USinωt；将V信号与副载波的余弦分量相乘，得到VCosωt。

再将它们送到加法器相加，就得到色度信号。

教案7.

内容：

第二章彩色电视信号传输制式

2.2NTSC制（NTSC制的编码原理中的正交平衡调幅）

重点：

1.色度信号的数学表达式及其物理意义

2.色同步信号

难点：

1.色同步信号

教学方法：

课堂讲解

色度信号的数学表达式：

F=USinωt+VCosωt=|F|Sin（ωt+φ）

其中，φ=arctg（V/U）

物理意义：

上式表明，色度信号是一个既调幅又调相的正弦波，其振幅反映色饱和度，相角反映色调。

因为色饱和度越大，色差信号就越大。

颜色不同，RGB的比例不同，V/U的比值就不同，相角就不同。

彩条信号

RGB取两极端值：

0和1共8种组合，组成典型色调。

排列顺序：

亮度由高到低，依次为：

白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑。

白条：

R=1，G=1，B=1，Y=0.30R+0.59G+0.11B=1.00

黄条：

R=1，G=1，B=0，Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.89

青条：

R=0，G=1，B=1，Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.70

绿条：

R=0，G=1，B=0，Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.59

紫条：

R=1，G=0，B=1，Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.41

红条：

R=1，G=0，B=0，Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.30

蓝条：

R=0，G=0，B=1，Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.11

黑条：

R=0，G=0，B=0，Y=0.30R+0.59G+0.11B=0

彩条矢量图。

色同步信号

作用：

由于色度信号采用了平衡调幅，接收端解调时须要与发送端抑制掉的副载波完全相同的基准副载波进行同步解调。

为此，发送端在行逆程期间发送一个色同步信号，它的作用是为接收端恢复基准副载波提供频率和相位基准。

色同步信号的形成

在U信号中插入-K脉冲（周期为行周期，脉宽2.35μS，相位滞后行同步信号5.6μS），使之在行逆程期间与副载波相乘。

色同步信号的数学表达式：

Fb=-KSinωt

色同步信号位于行逆程信号的后肩，起点距行同步信号前沿5.6μS，连续10个周期的副载波。

NTSC制的特点

优点：

编码、解码简单有利于设备的集成化，降低生产成本。

兼容性好，亮色干扰小，容易实现亮度和色度的分离。

缺点：

对相位失真很敏感。

相位的失真将导致色调的失真，而人眼对色调的失真非常敏感。

当相位失真达到5°时，就能觉察。

这对整个电视系统来说，是非常苛刻的。

教案8.

内容：

第二章彩色电视信号传输制式

2.3PAL制（PAL制的编码原理中的色度信号的数学表达式、PAL制对相位失真的

互补原理、色同步信号）

重点：

1.色度信号的数学表达式及其物理意义

2.相位失真互补原理

3.色同步信号

难点：

1.相位失真互补原理

2.色同步信号

教学方法：

课堂讲解

2.3PAL制

PAL制是逐行倒相的意思。

它是在NTSC制的基础上改进得来的。

可以称为正交平衡调幅逐行倒相制。

应当注意，所谓逐行倒相，仅仅是对色度信号中的V分量进行逐行倒相，并非是对整个色度信号进行逐行倒相，更不是对图象信号进行逐行倒相。

PAL制色度信号的数学表达式

F=USinωt±VCosωt=|F|Sin（ωt±φ）

（n行取正，称NTSC行，简称N行；n+1行取负，称PAL行，简称P行）

其中，φ=arctg（V/U）

为了重显正确彩色，接收端必须正确识别N行和P行，并将倒相行P行再重新倒回去。

PAL制对相位失真的互补作用

设N行的相位失真为△φ，色度信号变为

F=|F|Sin（ωt+φ+△φ）

则P行也应具有相同的相位失真△φ，色度信号变为

F=|F|Sin（ωt-φ+△φ）

经倒相后变为

F’=|F|Sin（ωt+φ-△φ）

显然，相邻两行相位失真大小相同，方向相反，互相抵消。

PAL制的色同步信号

作用：

1.为接收端恢复基准副载波提供频率和相位基准。

2.识别N行和P行

色同步信号的形成

在U信号中插入-K脉冲（周期为行周期，脉宽2.35μS，相位滞后行同步信号5.6μS），使之在行逆程期间与副载波的正弦分量相乘，形成定相