第2章电视传像基本原理与电视信号

一、图像的宽高比 根据人眼的视觉特性， 视觉最清楚的范围是垂直视角为 15°， 水平视角为20°的一个矩形视野， 因而电视接收机的 屏幕通常为矩形， 矩形画面的宽高比为4∶3。 矩形屏幕的大小用对角线长度表示， 并习惯用英寸作单 位， 一般电视机的35 cm（14英寸）、 51 cm（20英寸）、 74 cm（29英寸）等都是指屏幕对角线长度。 为增强临场感与真实感， 还可加大幅型比， 例如， 高清 晰度电视或大屏幕高质量电视要求水平视角加大， 观看距离 约为屏高的三倍， 宽高比定为16∶9。
交流电源干扰若加在行锯齿波上， 会造成光栅扭曲。 当 场频与电源频率不同时， 光栅不但扭曲而且摆动。 因此在制 定电视标准时都规定场频与本国的电网频率相同。 在我国电 视标准中， 场频选为50 Hz。
随着新型荧光粉的出现， 电视屏幕亮度不断提高， 一些 高亮度的画面常会引起闪烁感觉， 而现代接收机生产工艺水 平已能消除电源干扰， 所以将来会采用比50 Hz更高的场频。
CCD器件具有电荷存储功能。在外界光照射下，CCD中 的硅衬底会产生电子－空穴对，这时若在铝电极上加一个正电 压，它所形成的电场就会穿过二氧化硅层排斥硅衬底中的多数 载流子（空穴），并吸引少数载流子（电子）。于是，就在硅 和二氧化硅的界面附近得到了一个存储少数载流子（电子）的 势阱。铝电极上的电压越大，势阱越深，可存储的电荷量越多， 这就是CCD器件的电荷存储功能。
二、场频 选择场扫描频率主要应考虑不能出现光栅闪烁。 为了不 引起人眼的闪烁感觉， 场频应高于48 Hz。 随着场频的提高， 图像信号的频带也将相应增加，二者必须兼顾。 场频的选择还要考虑交流电源对电视图像的影响。 电视 接收机电源滤波不良或因杂散电源磁场的影响， 交流电源干 扰混入视频信号中， 当电源频率与场频不同时， 干扰图形将 是移动的， 以两个频率的差频向上或向下滚动， 俗称“滚 道”；当电源频率与场频相同并与电源同步时， 这些干扰在 图像上是固定不动的， 只要不太大， 眼睛是感觉不出来的。
图2-6 偏转线圈结构
二、逐行扫描 以电子束扫描为例，当线圈中分别流过如图2-6 所示的行、 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。 电子束扫描轨迹的集合称为光栅。逐行扫描中，所有帧的 光栅应重合，因此要求帧扫描周期TZ为行扫描周期TV的整数 倍。TZ=ZTH，Z为每帧的扫描行数。 电视标准规定： 行逆程系数=THR/TH/=18% 帧逆程系数 =TZR/TZ=8% 在行、帧逆程期间，应利用消隐脉冲截止扫描电子束， 使逆程扫描线消失，否则会降低图像质量。
iH
THF
THR
t0 t t1 t3
t6
(a) t1 iZ (b) t0 t2 t3 TZF TZ t 4 TH TZR
t2 t4
t t5 t6 t5 (c)
图 2-6 逐行扫描电流和光栅 (a) 行扫描电流； (b) 帧扫描电流； (c) 扫描光栅
存在问题：为了使显示端显示的电视图像没有闪烁感， 逐行扫描方式下电视图像的传送速率一般应达到50帧/秒，即 帧频为50Hz；为了保证图像清晰度，Z需要在600行左右，这样 一来，对传输通道的带宽要求很高，同时也使电视设备复杂化， 因此，为了在不增加图像信号带宽的情况下，有效克服闪烁现 象，电视系统采用了隔行扫描方式。目前传统的电视系统采用 的都是隔行扫描方式。
（2）工作原理：工作时，图像信号加在显像管的控制栅 极和阴极之间，这时电子束将受到图像信号的调制，即电子束 的强弱将随图像信号的大小而变化。
另一方面，在偏转磁场的控制下，电子束将从按从左到右， 从上到下的顺序依此扫描整个荧光屏，而且扫描过程与摄像端 完全同步。于是，对应于某个特定时刻的图像信号，电子束会 撞击在荧光屏的某个特定位置上，而且在这一位置上荧光粉的 发光亮度也正比与此时此刻图像信号的大小。 这样一来，就把不同时刻的图像信号大小转换成荧光屏上 不同位置的亮度大小，在完成时间-空间转换的同时，实现了 电光转换过程，即将一帧时间域的图像信号在屏幕上变成了一 幅平面的光学图像。
图2-பைடு நூலகம் 隔行扫描示意图
图2-8 隔行扫描光栅及行、场扫描电流波形 (a)每帧光栅;(b)行扫描电流波形;(c)场扫描电流波形
缺点： （1）行间闪烁； （2）并行现象（真实并行和视在并行） ； （3）垂直边沿锯齿化现象。 当隔行数越多时，缺点越明显。所以在电视系统中采用2： 1隔行扫描。
2.3 电视图像的基本参量
一、电子束的偏转
原理：当偏转线圈中通过电流时，会产生磁场，磁场的 方向决定于电流方向由右手定则判定；如果电子束穿过磁场， 则在磁场里的作用下要发生偏转，其偏转方向由左手定则判定。 因此，流过偏转线圈中的电流的幅度和方向，决定了电子束偏 转角度的大小和方向。 偏转线圈：如图2-6 所示。 行偏转线圈：产生垂直方向磁场，使电子束水平偏转。 场偏转线圈：产生水平方向磁场，使电子束垂直偏转。
同时传像：每个像素要占用一个传输通道，技术上不可 行。
顺序传像：利用人眼的视觉惰性，将活动图像分解为一 连串的静止图像，静止图像再分解为像素，只要在足够短的时 间里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息（指黑白图 像）进行光电转换，接收端再依次重现相应亮度的像素，就可 完成活动图像的传输。图2-2是顺序传像系统的原理图。 要求：①传送速度足够快； ②转送准确：收、发同步。
2. 显像管与电光转换
电光转换过程也就是显像过程，是在显示装置上完成的， 目前用于电光转换的显示器件主要有CRT、LCD、PDP等几种， 本章介绍的CRT（Cathode-Ray Tubes，阴极射线管）是一种传 统的图像显示器件，它就是我们常说的显像管。下面以黑白 CRT显像管为例，介绍其基本结构和工作原理。
我国电视标准规定： 一帧扫描总行数为625行，其中，帧正程575行，帧逆程 50行； 采用隔行扫描方式，每场扫描312.5行，场正程287.5行， 场逆程25行； 场频为50Hz，与电网频率相同； 行频为15625Hz，行周期为64s ，行正程时间为52s ， 行逆程时间为12s ； 电视图像的宽高比为4:3。 垂直分解力M=k1(1-)Z，取k1=0.75,M431行。 水平分解力N=KM，K为电视图像的宽高比。
图2-2 图像顺序传送原理
二、光电转换与电光转换 1. CCD摄像机与光电转换 光电转换过程也就是摄像过程，其工作原理与所使用的摄 像材料有关。摄像材料可分为两大类，即摄像管和CCD器件。 摄像管曾有过辉煌的历史，但在二十世纪八十年代之后，以 CCD为代表的摄像器件进入实用阶段，这种摄像器件无需电 子束的扫描就能实现光电转换，而且在体积、重量、功耗等性 能方面都明显优于摄像管。目前，CCD摄像机已逐步取代了 摄像管摄像机。下面我们介绍CCD的光电转换原理。 （1）CCD的电荷存储功能 CCD（Charge Coupled Device）是电荷耦合器件的英文简 称。CCD是一种MOS集成电路器件，其单元结构如图2-3 所示。 在P型（或N型）半导体硅衬底上有一层很薄的二氧化硅绝缘 层，绝缘层上按一定排列方式沉积了一组金属铝电极。
第2章 电视传像基本原理与电视信号
图2-1 无线电视广播系统原理方框图
本章讨论电视传送系统中用到的光电、电光变换、电 子扫描和全电视信号。
2.1 电视传像基本原理
一、像素的概念和顺序传像原理 1. 像素：就是组成图像的元素，即基本单位。利用人眼 分辨力有限的特性，将一幅电视图像分解为许许多多个像素组 成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。 2 . 顺序传像原理：
图2-4表示了一个四相CCD中电荷的转移现象。 在 图2-4（a）中，Φ1是2 V， Φ2～Φ4是10 V, 所以Φ2～Φ4 下面的势阱很深， 电荷存在里面。 在图2-4(b)中， Φ2 由10 V变为2 V， Φ2下面的势阱变浅， 所有的电荷转 移到Φ3、 Φ4下面的势阱中， 结果如图2-4(c)所示。 在 图2-4(d)中， Φ1由2 V变为10 V， 原来在Φ3、 Φ4下面 的势阱中的电荷向右转移分布到Φ3、 Φ4、 Φ1下面的 势阱中， 结果如图2-4(e)所示， 这个过程使得Φ2～Φ4 下面的势阱中的电荷转移到了Φ3、 Φ4、 Φ1下面的势 阱中。 CCD中的电荷就这样在四相时钟的驱动下向前 转移。
1 2 3 4 1 2
1 2 3 4 1 2
1 2 3 4 1 2
2 V 1 0 V 10 V 1 0 V 2 V 10 V 2 V 1 0 →2 10 V 10 V 2 V 2 V 2 V 2 V 10 V 10 V 2 V 2 V
图 2-3 CCD单元的结构及电荷存储原理示意图
（2）信号电荷的注入 CCD感光面的光敏材料在受光照时激发出自由电子－空 穴对，注入到P型衬底。其中，多数载流子空穴被排斥走，少 数载流子电子被电场吸引到势阱中，形成电荷包。电荷包中电 荷的数量与该处的光照强度成正比，这样就把景物的亮暗变成 了电荷包中的电荷多少，完成了光像到电像的转换。 （3） CCD的电荷转移功能 CCD器件的电荷转移功能无需电视束扫描，而是在外加时 钟脉冲信号的驱动下，利用势阱中的电子有向势阱深处移动的 特点完成的。
(a)
(b)
(c)
1 2 3 4 1 2
1 0 V 2 V 1 0 V 1 0 V 2 →1 0 2 V
1 2 3 4 1 2
10 V 2 V 10 V 10 V 10 V 2 V
(d)
(e)
图 2-4 四相CCD电荷的转移
（1）基本结构：如图2-5所示。
管体——真空玻璃管；
管内——电子枪和荧光屏；电子枪由灯丝、阴极、控制 栅极、加速极、聚焦极、阳极等构成。荧光屏的玻璃内侧涂有 荧光粉，在电子的轰击下能发光，其发光强度与电子束能量成 正比。 管外——偏转线圈，可提供偏转磁场，使电子束实现水平 和垂直方向的扫描。
图2-5黑白显像管结构示意图
电视系统应用的扫描是线性扫描，即扫描轨迹是直线型 的，即对每一幅画面来说，扫描自上而下一行一行进行，每一 行从左到右进行。扫描完第一幅画面之后再扫描第二幅，如此 循环进行。
扫描过程的实现通常使用电子方法。在以前的摄像管摄像 机中，扫描由电子束完成；另外，在CRT（阴极射线管）显示 器中，扫描也是靠电子束完成的。不过，在目前使用较多的 CCD摄像机以及一些新型显示装置中，扫描过程已不再需要 电子束的参与，而是靠脉冲电路的控制实现。
2.2 电子扫描
在顺序传像系统中，构成一幅画面的所有像素在进行光 电转换、传输、以及电光转换时都要按照一定的规律进行，实 现这一规律的过程就称为扫描。
电视系统中的扫描包含于两个过程之中，即发送端光电 转换过程中的扫描和接收端电光转换过程中的扫描。在这两个 过程中，扫描规律必须严格一致，即同步。同步有两方面含义， 一是同频，即收发两端的扫描速度相同；二是同相，即收发两 端的时空对应关系要一致。
三、隔行扫描 将一帧图像分成两场来扫，第一场（奇数场）扫1，3，5， 7…奇数行，第二场（偶数场）扫2，4，6，8…偶数行， fV=2fZ。参见图2-7和图2-8(以一帧光栅由11行组成为例,为 简化,忽略行、场扫描逆程时间）。 光栅：相邻两场的光栅应均匀嵌套，相邻两帧的光栅应重 合。Z为奇数。fH/fV=Z/2=(2n+1)/2=n+1/2
三、行数 由分辨力公式
d 3438 () L
式中， L表示眼睛与图像之间的距离， d表示能分辨的两点间 最小距离， 对于正常视力的人， 在中等亮度情况下观看静止 图像时， θ为1～1.5′。
设Z为每帧扫描行数， h为屏幕高度， h 得 Z 3438 。