第一章 广播电视的基本知识.docx

第一章 广播电视的基本知识.docx

《第一章 广播电视的基本知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 广播电视的基本知识.docx（75页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第一章广播电视的基本知识

第一章广播电视的基本知识

§1.1  图像光电转换的基本过程

电视是用电信号来传送活动图像的，因此首先要把被传送的图像转变为相应的电信号，经过信号通道的传送后，再经过电视机的显像管将电信号还原成图像。

前一光电转换是图像的分解过程，后一电光转换是图像的复合过程。

1.1.1  光电转换的过程

如果用放大镜仔细观察报纸上刊登的传真照片，就可以发现它们是由许多大小不等、疏密不同的黑点子组成，而且点子越小、越密，画面就越细腻、清晰。

同样，呈现在电视机屏幕上的图像也是由许多相互联系、彼此配合、亮度相同或不同的小单元组成，这些构成电视图像的基本单元称像素。

实际上，由于人眼视觉分辨力有一定的极限，在正常观看距离下，一幅电视图像大约有40万个像素时就可以使图像具有令人满意的清晰程度。

由于图像是由像素构成的，因此就可以通过传送组成它的像素来实现传送图像的目的。

为了解决像素的传送问题，人们采用一种顺序传送的方法，就是在发送端把图像中各个像素的亮度按一定的顺序变成相应的电信号，并一个一个地传送出去，而在接收端则按同样地顺序把电信号变成一个一个相应地亮点重现出来。

实践证明，由于人眼的视觉惰性，只要顺序传送的速度够快，就会在主观感觉上觉得所有像素同时发亮一样。

这种顺序传送法实质上就是按时间顺序传送空间分布的像素的亮度。

将图像转变为顺序传送的电信号（图像的分解）或将顺序传送的电信号重新恢复成光图像（图像的复合）的过程称为扫描。

在扫描过程中，像素的传送和恢复顺序是从左到右、从上到下一行一行地进行的。

由于电视要传送活动图像，即图像上像素的亮度是随时间不断变化的，所以必须在一秒钟内传送很多幅画面，才会在电视荧屏上重现连续活动的图像。

我国电视标准规定一秒钟传送25幅画面。

这就是说电视系统必须具备每秒约1000万个像素的扫描速度。

这样高的扫描速度，只有采用电子扫描的方法才能实现。

实现光电转换的器件是发送端的摄像管。

下面以光电摄像管为例，简要说明从光到电的转换过程。

光电导摄像管的结构如图1-1所示。

它主要由光敏靶和电子枪两部分组成。

光敏靶是由光敏半导体材料制成的。

景物通过光学系统在摄像管光敏靶上成像。

由于光像各部分的亮度不同。

靶上各相应部分的电导率发生了相应变化，与亮像素对应的靶单元的电导较大。

与暗像素对应的靶单元电导较小，于是将景物各像素亮度不同变成了靶面上各单元的电导不同，光像变成了“电像”。

图1—1光电导摄像管结构图

电子枪的任务是发射电子束，它由灯丝J、阴极K、栅极G及加速聚焦阳极A1、A2等组成。

电子束在聚焦线圈和偏转线圈产生的磁场的联合作用下，以聚焦状态按一定规律（即从左到右、从上到下一行一行）扫描靶上各点。

当电子束接触到靶面某点时，使电子枪阴极与信号板、负载RL和电源E构成一个回路，在负载RL中就有电流流过，电流大小取决于光敏靶该点电导率的大小。

因此，当电子束按一定规律在靶面上扫描时，便在负载上依次得到与景物各点亮度相对应的电信号，完成了将图像分解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程。

上述摄取的图像信号（电信号）符合像素越亮，对应的输出电平越低；像素越暗，输出信号电平越高的光电转换规律，称之谓负极性图像信号。

反之，如果输出电平值与像素亮度成正比，则称之谓正极性的图像信号。

1．1．2 图像重现的过程

图像的重现是依靠电视接收机的显像管来完成的。

显像管的任务是将图像信号转换为光图像，完成电到光的转换。

显像管主要有电子枪及荧光屏两部分组成（结构原理将在第二章介绍）。

电子枪用于发射电子束，电子束的强度取决于加在控制栅极的正极性图像信号或加在阴极上的负极性图像信号电平大小。

电子束轰击荧光屏时所产生光像的亮度取决于电子束的强弱。

因此，电视机荧光屏重现的亮度是由受图像信号控制的一个个亮点所组成。

另外，为使图像信号重现成一幅完整的光图像，需要电子束在偏转磁场作用下完成从左到右、从上到下全屏幕的扫描，而且电子束在荧光屏上轰击的几何位置也必须与发送端图像像素的位置一一对应，即收发两端要保持同步的工作状态。

图像的分解与复合过程如图l—2所示。

图（a）为投映到摄像管靶面上的需要传送的“口”字图像。

为便于说明，假设图像沿垂直方向分为9格，沿水平方向分为12格，每一小格即为一传送单元（像素）。

电子束以1a-->1b-->lc…1l-->2a-->2b…2l的顺序一直扫到最后一行的9l，然后再回到第一行重复扫描。

电子束扫描到“口”字上时，摄像管输出高电平，在“口”字以外摄像管输出低电平，扫描各行输出波形如图1—2（b）。

图（c）为显像管荧光屏根据负极性图像信号波形（图（b））重现的“口”字图像。

电压高时，电子束弱，屏幕上被轰击到的部分为暗像，电压低时电子束强，屏幕上被轰击到的部分呈亮像。

只要扫描速度足够快，则利用荧光屏的余辉特性和人眼视觉惰性，即可重现连续的图像。

当然，显像管中电子束扫描必须与摄像管扫描规律完全一致，即同步扫描。

§1.2 电视扫描原理

1.2.1  电子扫描

如前所述，电视图像的摄取与重现是基于光和电的相互转换，然而把空间的光图变换成随时间变化的电信号，以及把随时间变化的电信号再转换成一幅空间的光图像，则是通过电子扫描来完成的。

电视接收机是采用磁偏转的方式来控制显像管中电子束的扫描运动的，即在器件外装置的偏转线圈中通以锯齿电流，使电子束受到电磁力的作用而偏转。

为了使电子束顺序地扫过整个屏幕，显像管的管颈上需要安装两对偏转线圈。

一对是水平偏转线圈，产生垂直磁场；一对是垂直偏转线圈，产生水平磁场。

当它们分别通以不同频率的锯齿波电流时，则电子束在垂直磁场作用下沿水平方向偏转，即水平扫描；电子束在水平磁场作用下沿垂直方向偏转，即垂直扫描。

电子束在两对偏转线圈产生的磁场共同作用下，完成从左到右、从上到下的全屏幕扫描，形成了矩形光栅。

根据电影技术实践证明，传送活动图像每秒至少应放映24幅瞬时拍摄的固定画面，才会使人对放映后的图像获得平稳的连续图像的感觉。

过低的幅频（每秒更迭的画面数）将使图像产生抖动感。

在电视中将一幅画面称为一帧，并规定每秒传送25帧（即帧频为25Hz）。

每帧图像分成625行传送，这样每秒就传送了15625行，即行频为fH=15625Hz。

电子扫描有逐行扫描和隔行扫描两种方式。

逐行扫描时，因为扫描一帧需时间为1／25s，时间较长，当电子束扫到一帧图像的某一像素时，该像素当时发光较亮，当电子束扫描过去后，该像素开始变暗，直到经过1／25s后电子束又扫到该像素时，于是又由最暗变到最亮。

这种状况在画面各处均存在，于是使人产生画面的闪烁效应。

实践证明，减少换帧时间，把帧频提高到50Hz，闪烁效应就可以消失。

但帧频如果由25Hz提高到50Hz，图像信号的最高频率亦即信号频带宽度将由约5.5MHz提高到11MHz，这是不允许的。

目前在广播电视中，普遍采用隔行扫描的方法来克服闪烁效应，并保持信号频带宽度约为5.5MHz不变。

因此，我们只介绍隔行扫描原理。

一、扫描工作原理

1.水平扫描工作原理

在图1-3（a）中一对上下对称放置的偏转线圈（称为水平偏转线圈或行偏转线圈）中通入如图（b）所示的行扫描锯齿波电流。

产生磁场的方向可用右手螺旋定则确定，其磁场方向

根据扫描电流正或负为向上或向下交变，磁场强弱也随锯齿波电流大小相应改变。

电子枪发射的电子束在通过这个磁场时，根据左手定则（电流方向与电子流方向相反）判定，电子束将向右或向左偏移，偏移量大小与流入偏转线圈中的电流大小或磁场强弱有关。

当偏转线圈中电流为零时，电子束不产生偏转，打在荧光屏中心。

因此，只要改变偏转电流的大小和方向，就可以实现水平扫描。

图（b）中，iH为行扫描锯齿波电流；TH为行扫描周期；TSH为行扫描正程期，在此期间，电子束由屏幕左侧扫至右侧并显示亮线，TrH为行扫描逆程，在此期间电子束迅速回扫至左侧（TrH«TSH），并且采取消隐措施不在屏幕上显示亮线。

当偏转电流在a点时为最大负值，此时电子束应射到荧光屏左边a1点处，当偏转电流逐渐变化到b点时，电子束偏移随着减小，光点由a1点回到荧光屏中央b1，点。

当偏转电流由b点向c点正向增加到最大正值时，电子束向屏幕右侧偏移，光点由b1点到达右边c1点，电子束自左至右完成扫描正程。

正程结束后，扫描电流由最大正值c点很快地经d变到最大负值e点，因此电子束很快地由荧光屏右侧c1点经中央d1点折回到左边e1点。

则电子束完成自右至左的扫描逆程。

假若电子束只有水平扫描而没有垂直扫描，在荧光屏上将呈现一条水平亮线。

2．垂直扫描原理

垂直扫描工作原理如图1-4所示。

图（a）中，一对左右对称放置的垂直偏转线圈（场偏转线圈），则由于垂直偏转线圈产生的磁场是水平方向的，电子束将沿着荧光屏垂直方向扫描。

图（b）为输入到偏转线圈中的锯齿波电流如iV。

TV为场扫描周期；TSV为场扫描正程期，此期间电子束完成由上至下扫描并显示亮线，TrV为场扫逆程时间，电子束很快地由屏幕下端回扫到上端，并采用消隐措施不在屏幕上显示亮线。

当场扫锯齿波电流iV由a点经b点逐渐变化到c点时，电子束从荧光屏最上方a1经b1扫描至最下方c1，电子束自上而下完成扫描正程。

正程结束后，iV由最大负值c点很快变到最大正值e点，电子束也很快地由荧光屏最下面的c1点经d1点迅速折回到最上面e1点，完成场扫描逆程。

假定电子束只有垂直扫描而没有水平扫描，荧光屏上将呈现一条垂直的亮线。

当既有水平扫描又有垂直扫描时，荧光屏应呈现满屏幕近似平行的水平亮线，即扫描光栅。

二、隔行扫描原理及光栅的形成

隔行扫描是在保持帧频25Hz、行频15625Hz不变的情况下，把一帧画面分成两场来扫描。

电子束在扫描一帧图像时，首先扫描所有的奇数行（按空间排列顺序）即第l、3、…直至第625行的前半行，该场即所谓奇数场；然后电子束再返回顶部扫描所有的偶数行，即自625行后半行开始，接着扫第2、4…直至624行，该场称为偶数场。

只要两场的周期相等（包括各自的正程、逆程时间亦相等）且为帧周期的一半，则奇、偶场光栅在屏幕上可以实现均匀嵌套，构成一幅完整的图像。

图1-5绘出了隔行扫描示意图。

假设每帧周期包含1l行（其中含场逆程2行），并假定当t=0时，iV为最大正值，iH为最大负值，电子束恰扫描在画面的左上端，即奇数场的A2点处。

在行扫描电流iH从A开始上升至B（行扫正程），然后由B降到C（行逆程）的同时，场扫描电流iV从A1降到Bl和C1，完成第1行扫描。

这时荧光屏呈现出电子束的扫描轨迹是从A2到B2、C2（从B2到C2为行逆程不呈现亮线），C2为荧光屏第3行的起始点。

接着从iH的C点（即iV的C1点）起，开始荧光屏上的第3行、第5行、……的奇数场扫描，直到iV到达最大负值D1点止，此时该场必终止于第9行的前半行D2点。

在第9行的后半行时，恰好进行场回扫，当iV到达最大值G1时，电子束从下向上由D2经E2、F2回到荧光屏最上方的中点G2，结束了第一场即奇数场的扫描。

偶数场的扫描正程是从G2点开始的，它的图形同样可以根据iV和iH的波形画出。

如图（c）所示。

将图（b）的奇场光栅与图（c）的偶场光栅叠加在一起，即构成全电视屏幕均匀相嵌的光栅图。

由于iV值表示电子束在荧光屏垂直方向的位置、iH值表示电子束在水平方向的位置，图（a）中A1与G2的电平相同，则说明奇、偶两场的场正程起始点是不同的。

但由于选择场周期是行周期的整数倍再加半个行周期，所以奇、偶两场的场正程的起始点对应的iH值是不同的。

如图（a）所示，奇场对应的iH为最大负值，而偶场对应的iH为零。

就是说，两场正程的起始点在水平位置上差半行，因此两场光栅不会重叠，而是实现均匀嵌套。

另外，第3场正程的起点和第1场正程的起点在时间上差一个帧的周期，是行周期的整数倍，因此它在荧光屏上的位置不仅垂直方向相同，而且水平方向也相同，即第3场的光栅与第1场的光栅完全重叠。

同样第4场的光栅与第2场的光栅也完全重叠。

．

通过上面的分析可以得出这样两个结论：

为了实现隔行扫描时奇、偶两场扫描光栅均匀相嵌，每贞图像的扫描行数（包括场逆程在内）必须为奇数；为了保证各帧光栅的重叠，要求每帧的扫描行数必须是整数．

１.２.２　　我国广播电视扫描参数

我国广播电视采用隔行扫描，主要参数如下：

行频：

15625Hz　　　　　　　　　　　　　场频：

50Hz

行周期：

64μs　　　　　　　　　　　　　场周期：

20ms

行正程时间：

≥52μs　　　　　　　　　　场正程时间：

≥18.4ms

行逆程时间：

≤12μs　　　　　　　　　　场逆程时间：

≤1.6ms

帧频：

25Hz　　　　　　　　　　　　　　　每帧行数：

625（显示575）

帧周期：

40ms　　　　　　　　　　　　　　每场行数：

312.5（显示287.5）

§1．3  重现电视图像的基本参量

在理想的情况下，荧光屏上重现图像的几何形状、相对大小、细节的清晰度、亮度的分布及物体运动的连续感等，都应该与原景物一样。

实际上是不可能的。

本节根据人眼视觉的特性分析黑白电视图像转换中的几个基本参量。

有关彩色电视与视觉性能的关系将在第三章讨论。

1.3.1  亮度、对比度和灰度

人眼最重要的视觉功能是对客观景物的亮度感觉。

亮度就是人眼对光的明暗程度的感觉。

亮度用B表示，度量的单位为cd/m2。

cd为烛光发光强度坎德拉。

根据实际要求，电视图像平均亮度应不小于30cd/m2 ，最大亮度应大于100cd/m2（或60cd/m2）。

目前，显像管的发光亮度能做到上百cd/m2的量级，而所摄取客观景物的最大亮度可高至上万cd/m2，两者的差别很大，重现图像是无法达到客观景物的实际亮度。

但由于人眼对背景亮度有很强的适应性，所以只要保持重现图像的对比度与客观景物相等，就可以获得与客观景物一样的明暗感觉了，而完全没有必要重现客观景物的实际亮度。

客观景物的最大亮度与最小亮度之比称为对比度。

对于重现的电视图像，对比度不仅与显像管的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin有关，还与周围的环境亮度BD有关，其对比度k为

K=（Bmax+BD）/（Bmin +BD）≈Bma/（Bmin +BD）

显然环境越亮，电视图像对比度就越低。

一般对比度能达到30~40就可以获得满意的收看效果。

重现图像的对比度越大，图像的黑白层次就越丰富，人眼的感觉就越细腻、柔和。

图像从黑白到白色之间的过度色统称灰色。

灰度就是将这一灰色划分成能加以分别的层次数。

为了鉴别电视机所能恢复原图像明暗层次的程度，电视台发送一个十级的灰度。

实际上，电视机只要能达到六级灰度，就能收看明暗层次较佳的图像。

我国电视标准规定甲级和乙级电视机分别达到八级和七级灰度。

1.3.2  每帧扫描行数的确定

前面已经讨论过，为了获得图像的连续感克服闪烁效应并不使图像信号的频带过宽，我国规定帧频为25Hz，采用隔行扫描，场频定为50Hz。

这样的场频恰好等于电网频率，还可以克服当电源滤波不良时图像的蠕动现象。

由于扫描行数决定了电视系统的分解力，从而决定了图像的清晰度，因此在电视标准中确定扫描行数是一个极为重要的问题。

我国规定每帧含625行。

在帧频一定时，每帧行数越多，系统反映图像细节的能力越强，但信号占用的频带也越宽。

事实上，由于人眼在一定距离内分别图像细节能力有一定限度，因此没有必要提高每帧行数，于是，可依据人的这一特性确定行数。

图1—6绘出了人眼分辨图像细节能力的示意图。

图中，θ为分辨角，是在一定的距离L时，人眼恰能分辩的两个黑点之间的夹角，显然θ越小，表示人眼的分辨力越强，反之则越弱，因此可以定义人眼分辨力为分辨角的倒数。

d为两点之间的距离，即行距；h为屏幕高度；φ为视觉清晰区域张角；L为最佳观看距离。

由图得到最佳分辨角为                

θ=360/2π×60×d/L             （1-1）

屏幕显示行数Z¹为

                   Z¹=h/d                         （1-2）

则有                 Z¹=360/π×60×h/L×1/θ               （1-3）

正常人的分辨角在1¹~1.5¹之间，取θ=1.5¹；观看电视的最佳距离L≈4h（由人的视觉清楚的区域φ≈15°得出），将此两值代入（1-3）式，即可算出相应的屏幕显示行数Z¹=537，我国电视标准规定屏幕显示行数为575行，再考虑每帧逆程的50行，即确定了每帧总行数为Z=625行。

1.3.3  分解力（清晰度）

电视系统传送图像细节的能力称为该系统的分解能力。

相应地，表现在人对图像细节清晰程度的感觉则称为清晰度，两者的含义是一致的。

分解力通常以能分辨黑白相间的线数表示。

例如，设分辨力为500线，表示系统在对应的方向上能分辨黑白线条各250条。

一、垂直分解力

垂直分解力是指沿着图像的垂直方向上能够黑白像素的数目。

显然它受每帧屏幕小显示行数Z¹亦即总行数Z的限制。

在最佳情况下，垂直分解力m就等于显示行数Z¹。

在一般情况下，并非每一屏幕显示行都代表垂直分解力，而取决于图像状况以及图像与扫描线相对位置的各种情况，这可用图1-7加以说明。

图1-7（a）是摄取的图像，图1-7（b）是重现的图像。

图中，电子束截面覆盖的是一行扫描线，并且忽略了扫描线之间实际存在的间隙。

图（a）中，a1和a4的图像细节（黑条与白条）恰好占据了扫描线满格，此时摄像管输出的图像信号的电平高低分明，因而图（b）中重现的图像b1和b4仍是黑白分明的原像，此属于最佳情况，垂直分解力M=Z¹。

                            图1-7 

如果摄取图像为a2，图像细节与电子束中心错开，即电子束恰好覆盖黑条和白条各一半，则各行的图像信号均为黑白信号电平的平均值，因而重现图像b2是一条均匀的灰色带，系统丧失了垂直分解力，即M=0。

当摄取图像为a3、a5时，其重现的图像是b3、b5，b3图像的对比度下降、b5黑白边界不明显，但能重现原图像的规律，只是垂直分解力下降为原线数的一半，即M=Z¹/2。

因此，考虑到图像内容的机性，则有

                          M=kZ¹

K值通常为0.5~1，如果k=0.76，则有效垂直分解力M=0.76×575=437线。

垂直分解力M亦可用总行数Z来表示。

因为有Z¹/Z=Tsv/Tv，故有：

M=k（Tsv/Tv）Z

二、水平分解力

水平分解力是指沿图像水平方向系统能分解的像素数目（垂直像素），以N表示。

水平分解力取决于电子束横截面大小，亦就是说，水平分解力与电子束直径相对于图像细节宽度的大小有关。

电子束在水平方向扫描与垂直方向扫描完全不同。

垂直方向一定要一行一行地扫描，相邻行之间的扫描线不重叠，而水平方向则是连续扫描过去的。

以摄像管为例，尽管电子束可以聚焦得很细，但总有一定的截面积（接近于像素），因此它在水平扫描时将黑白像素界线模糊，转换成图像信号电压不能突变，存在一过渡期。

如果图像细节比电子束更小，这时则根本反映不出这种细节变化了。

把这种现象称做孔阑效应。

孔阑效应示意图如图1—8所所示。

图1—8（a）是摄取图像的取样，图（b）是它转换的图像信号电压波形。

图中若白条与黑条的宽度远大于电子束直径d，当电子束从左向右扫描过画面时，只有当电子束的中心分别处于x1的位置以左和x2的位置以右时，电子束截面才完全覆盖白条和黑条，这时输出图像对应的t1和t2时间达到最高电平u1和最低电平u2（正极性图像信号）。

而当电子束中心处于x1和x2之间时，随着电子束覆盖白条、黑条的面积不同，将使信号u存在一过渡期τ。

其重现的图像如图（c）所示（忽略显像管的孔阑效应时），在白条和黑条的交界处有灰色过渡区，它的宽度为d，这使图像模糊从而降低水平分解力。

图1—8（d）、（e）给出了当摄取图像细节宽度改变时其对应的信号波形。

当细节宽度越来越窄直至等于电子束的直径d时，由于τ不变，图像信号u将由梯形波趋于正弦波，这时

             图1-8

对比度保持不变，转换成的图像为黑和白，但黑白边缘显示模糊的灰色，图像的清晰度下降。

实际上，在显像管电光转换中也存在上述的孔阑效应，但因摄像管光电靶的面积远比显像管屏幕小得多，因而摄像管的孔阑效应是主要的。

为了克服孔阑效应，在电视发送端采用专用电路进行校正。

从上面的讨论可知，要提高水平分解力，需要减小电子束直径。

但电子束的直径太细，则在保持每帧行数不变的情况下，将在行与行之间有明显空隙。

画面被扫描到的部分将减少，从而降低了传输效率。

因此电子束大小要适当，一般以等于一帧高度除以扫描行数为好。

这样，但扫描行数确定后，电子束的直径大小和水平方向的垂直分解力也大致决定了。

实验证明，在同等长度条件下，当水平分解力等于垂直分解力时图像质量最佳，因为屏幕的宽高比为4：

3（人眼视觉清楚区为垂直张角15°，水平张角为20°），故水平分解力可据（1—4）式求出

N=4M/3=4kZ¹/3=4×0.76×575/3=583线              （1—6）

同样也可以用Z表示N，将（1—5）式代入（1—6）式得

N=4k（Tsv/Tv）Z/3                                   （1---7）

1．3．4视频信号的频带宽度

视频信号（即图像信号）的频带宽度不仅是确定射频电磁波频带宽度的主要依据，而且还直接关系到电视机高频放大器和中频放大器的设计要求。

由于图像信号最低频率可当做为直流，因此图像信号的最高频率f就是信号频带宽度。

当各水平方向都出现图像细节时将确定信号的最高频率。

即由（1-6）式确定的n值就代表在行扫描正程期Tsh内扫过的像素数，于是扫过每个像素需时为

td=Tsh/N

图像信号最高频率对应的周期为2td，则有

fmax=1/2td=N/2Tsh

=538/（2*52*/1000000）≈5.6MHz                         （1—8）

图像信号的频带宽度为5.6MHz，通常将其略称为6MHz。

fmax也可用z表示。

将（1-8）式变换为

fmax=（N/Th）/2（Tsh/Th）=Nfh/2（Tsh/Th）                （1—9）

将关系式fh=（fv/2）Z及（1-7）式代入（1-9）式即得到

fmax=（1/3）kfv（Tsv/Tv）（TH/TSH）Z2                 （1—10）

由（1—10）式可见，当fv、Tsv、Tv、Th、Tsh为定值时，fmax 与z的平方成正比。

1．3．5            图像的几何特征