电视原理-电视原理

一 : 电视原理

电视原理

1.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,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。设显像管的电一光转换是线性的(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

偏转线圈的结构 2. 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(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。 显像管内电子束偏转 3.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外面的偏转线圈中通过电流时,会产生偏 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 磁场力的作用下要发生偏转,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 过偏转线圈中电流的幅度和方向,决定 着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。

扫描电路:分为行扫描电路和场扫描电路,其作用是产生扫描 信号(电压波)分别加到显像管的行,场偏转线圈上,使偏转线圈 中产生线性变化的电流(锯齿波),从而在显像管中的水平,垂直 方向上都产生匀速变化磁场,使显像管阴极发射的电子束在磁场 中匀速偏转,这个方法称为扫描,简单地说,电视图像就是通过不 断地进行行场扫描而产生的。

4.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 5.隔行扫描 光栅奇偶镶嵌演示 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 fH=1/TH 两场来传送,这两场

分别 称为奇场和偶场。奇数 =1/(TH S+ THR ) 场传送1、3、5、…奇数 行;偶数场传送2、4、 f =1/T V 6、…偶数行。世界各国 V =1/(TV S+ TVR ) 都采用隔行扫描的扫描 方式。 隔行扫描场扫描电流图

6.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~ 12MHz,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

7.隔行扫描的实现 (实际系统中回扫线被消隐掉了) 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。 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,在扫描锯齿波电流波形顶点位臵对齐的情况下 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。

8.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。 场 频 fV : 50 Hz ( 帧 频 25 行频 fH :15625Hz; Hz); 行周期TH:64μs 场周期TV:20ms 行正程时间THS:≥52μs 场正程时间TVS:≥18.4 ms 行逆程时间THR:≤12μs 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 9.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。

10. 黑白全电视信号 正负极性图象信号 黑白全电视信号由 “图像信号”和确保扫描同步的“复合同 步信号”以及消除扫描逆程回扫线的“复合消隐信号”等辅助信 号而构成的。 主体信号 —— 图像信号 1.图像信号及其特征 图像信号是由摄像管将明暗不同的景 像经过电子扫描和光电转换而得的电信号。 五条由白→灰→黑而变化的图像的图线信 号如图l-13所示(有正负极性之分),所 示波形为一个行正程的对应波形。一般来 说,图像信号是随机的,图1-13(c)给出了 一行的随机的图像信号的波形。 ⑴ 图像信号具有直流成分,其数值确 定了图象的背景亮度,是单极性信号。 ⑵ 对于一般活动图像,相邻两行或相 邻两帧信号间具有较强的相关性,信号差 别极小,可近似认为是周期信号。

11. 辅助信号 1.复合消隐信号 在图像的分解或恢复的扫描逆程中,若不采取措施,将出现行、 场回扫线,这将对正程所传送的图像起干扰作用。消除回扫线的方 法是在行、场扫描的逆程期间,在摄像管与显像管中分别加入能使 扫描电子束截止的消隐脉冲,即复合消隐脉冲或复合消隐信号。发 送端在发送图像信号的同时,在逆程期间将消隐信号也发送出去。 行、场消隐信号的电平等于图像信号的黑色电平;行、场消隐信号 的周期应分别与行、场扫 描周期相同;行、场消隐 脉冲的宽度应分别等于行、 场扫描的逆程时间。即行 消隐脉冲宽度为12μs,场 消隐脉冲宽度为1612μs (其中,包含着一个行的逆 程12μs)。 复合消隐信号

复合同步信号 2.复合同步信号 电视系统中发扫描必须严格同步,即收、 发扫描对应的行、场起始和终止位臵必须严格 一致,否则就会出现画面失真或不稳定现象。 为了收、发同步的需要,电视发送端每当扫描 完一行时加入一个行同步脉冲;每当扫描完一 场时加入一个场同步脉冲,它们分别在行与场 逆程期间传送,其宽度分别小于行、场逆程时 间。我国电视标准规定,行同步脉冲宽度为 4.7μs,脉冲前沿滞后行消隐信号前沿约 1.3μs;场同步脉冲宽度为160μs(2.5个行周期),脉冲前沿滞 后场消隐信号前沿160μs。在接收端必须先将这些行、场同步脉 冲分离出来,用以分别控制接

收机中的行、场扫描锯齿波电流的 周期和相位。换言之,只有当行、场同步脉冲到来时才开始行与 场的回扫,这就可保证收、发双方扫描电流的频率和相位都相同, 即可保证同步。图1-15(a)中给出了行、场同步信号,通常将行、 场同步信号合称为复合同步信号。 同步脉冲前沿—逆程开始时刻 扫描频率对重现图像的影响 并行现象 相位不同对重现图像的影响

3.行同步脉冲与场同步脉冲 行同步脉冲叠加在行消隐脉冲上,宽度为4.7us,脉冲前沿比行 消隐脉冲前沿迟后1.5us,形成行消隐前肩;并在行同步之后有 一个5.8us的行消隐后肩,消隐后肩可以提供基准的消隐电平。 如图1所示。一行的起始时刻从行同步的前沿为基准开始计时的 ,是以行同步前沿时刻开始行扫描电流逆程的。

场同步脉冲叠加在场消隐脉冲上,宽度为2.5H=160us,其前沿 比场消隐前沿迟后2.5H=160us。场同步规定为一场图象信号的 起始时刻,控制场扫描逆程开始。如图2所示。

4.行场同步信号的分离 从幅度分离级输出的是包含行、场同步脉冲的复合同步脉冲,因此 还必须把行、场同步脉冲准确地分开,然后才可分别把它们送到行振 荡级和场振荡级去,以控制行、场振荡频率。要从复合同步信号中把 行同步信号和场同步信号分离,可用微分电路(图1)和积分电路( 图2),只要微分电路的时间常数RC比行同步脉冲的宽度小的多, 则复合同步脉冲通过微分电路后就得到一系列尖脉冲。将负的尖脉 冲除去,就可用这些正的尖脉冲来控制行扫描.要得到场同步信号, 可用积分电路,且积分电路的时间常数RC大于行同步脉冲的宽度, 而小于场同步脉冲的宽度。行同步脉冲经过积分电路后,在输出端 只能得到很小的电压,而场同步脉冲则产生较大的输出电压。用于 控制接收机的场扫描。在单节点积分电路中,其输 出信号的幅度只与输入同步信 号的脉冲宽度有关。输入脉冲 窄,输出幅度就小(C充电时 间短,幅度上升小)输入脉冲 宽,输出幅度大(C充电时间 长,幅度上升大)。

5.槽脉冲和均衡脉冲 电视系统中,提取行同步信息的方法,是利用鉴相或微分电路来 提取行同步脉冲的前沿。由于场同步脉冲较宽,因而在场同步期间 会使行同步信息丢失。这样,在场逆程期间行就可能失真,可能会造 成每场开始时的前几行不能立刻同步,而使屏幕显示图像的最上面 几行出现不稳定现象。解决这个问题的办法是在场同步脉冲上加开 几个槽,称为槽脉冲,并使槽脉冲的后沿(即上升沿)恰好对应于应该 出现原行同步脉冲的前沿位臵。加入槽脉冲之后就可以保证在场同 步脉冲期间可以检测出行同步脉冲。槽

脉冲的宽度与行同步脉冲相 同,也是4.7μs。 行、场同步脉冲幅度相 同 、宽度不同,所以分离行、 场同步脉冲一般借助于微分 与积分电路的组合。微分电 路可提取出行同步脉冲或槽 脉冲的上升沿用于行同步; 积分电路却可以选出宽度较 大的场同步脉冲。

但是,由于电视系统一般采用隔行扫描,相邻两场扫描的起点和终 点位臵都不相同。对于奇数场来说,它是在半行处结束,场消隐信号 和场同步信号应在行扫描到半行时加入;对于偶数场扫描来说,它 是在一个整行后结束,场消隐与场同步信号应在一个整行结束后加 入。若将奇数场和偶数场的同步脉冲分两排画出,并令场同步脉冲 起始沿对齐,则得如图所示波形。在进行行、场同步分离时,每一个 行同步脉冲出现,要对积分电容器进行一次充电,行同步脉冲过后 则进行放电。由于奇数场和偶数场同步脉冲前沿出现时、行 同步脉冲相互错开半 行,造成积分电容器 上的起始电压不同, 这就必然导致两场同 步时间的差异,如图 所示,存在时差Δt。 对场同步脉冲的检测 造成影响。
场同步积分输出

为了保证偶数场的扫描线准确地嵌套在奇数场各扫描线之间, 必须保证相邻两场场同步脉冲前沿到达积分电路时,积分电容器上 要有相同的起始电压,否则就无法保证正确的嵌套,严重时甚至会出 现扫描光栅完全重合的现象。为此,在场同步脉冲前后(场消隐期 间)以及中间,每隔半行都增加一个行同步脉冲,这样就可以使相 邻两场的场同步脉冲前沿到达积分电路时,积分电容器上所充的电 压基本相等。为了使增加脉冲后的平均电平不增加,把这部分脉冲 宽度减小为原来的一半(即2.35μs)。场同步脉冲上的槽也每半行 一个,槽宽仍为4.7μs,场 同步期间要开5个槽。每 个场同步脉冲前、后各有 5个 2.35μs 宽的脉冲, 常称其为前、后均衡脉冲, 如图l-17(c)所示。这样 一来,无论奇场还是偶场, 送到场积分电路去的波形 都是完全相同的。 开槽场同步

12.黑白全电视信号 1.全电视信号波形 将图像信号、复合同步、复合消隐、槽脉冲和均衡脉冲等叠加, 即构成黑白全电视信号,通常也称其为视频信号。我国现行电视标 推规定:以负极性全电视的同步信号顶电平作为100%;则黑色电 平和消隐电平的相对幅度为75%;白色电平相对幅度为10%~12.5 %;图像信号电平介于白色电平与黑色电平之间。各脉冲的宽度为: 行同步4.7μs;场同步160μs (2.5行,H表示行,V表示场);均衡 脉冲2.35μs;槽脉冲4.7μs;场消隐脉冲1612μs;行消隐脉冲 12μs。 黑白全电视信号

正极性信号

13.电视图象信号的规定
在图像视频信号中加入行、场同步

脉冲和行、场消隐脉冲 后得到的信号叫做全电视信号.也是最终形成的电视图像信号。 我国电视图像信号的幅度和同步、消隐脉冲的宽度规定 如下: 信号幅度:消隐电平(基准电平)为0V,峰值白电平0.7V, 黑电平与消隐电平之差为0V+50mV,同步脉冲 电平为-0.3V。 脉冲宽度:行同步4.7us,行周期64us,行消隐12us,行消 隐前肩1.5us; 场同步2.5H,场周期20ms,场消隐25H+12us, 场消隐前均衡脉冲2.5H,后均衡脉冲20H+12us;

14.电视摄象机同步工作原理
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视频同步方式 内同步:电视摄象机内部电路产生 外同步:电视摄象机外部电路产生 线锁定同步:(Line Lock)是一种利用交流电源来锁定 摄象机同步脉冲的一种同步方式。当图像出 现因交流电源造成的纹波干扰时,将此开关 拨到线锁定同步的位臵,就可以消除交流电 源的干扰。

15.外同步工作原理
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当系统有多个电视摄象机同时工作时可采用外同步 工作方式。

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外同步模块是整个系统的时序基准,控制整个系统 协调有序的工作。 外同步模块可产生:场同步信号,行同步信号,复合 同步信号及其他信号。

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16. 外同步模块

晶振8M

FPGA

电 平 驱 动

行同步 场同步 复合同步

1. 晶体震荡器产生8MHz时钟信号,作为整个系统的记数 标准脉冲。

2. 用FPGA电路实现各种同步信号的逻辑关系。
3. 用VHDL语言实现硬件编程,实现利用原理图不易实现 的逻辑电路,使电路设计简单,便于修改。

17. 帧同步信号
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电视帧同步信号周期为:40ms 8Mhz系统时钟周期为125ns 125ns ×320000 = 40ms
采用19位二进制计数器,2的19方=524288, 计数器的清零信号是CLR, 计数器从0计数,只有到319999是给出低电 平,对计数器清零,进入下一个周期。

18. 行同步信号
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行同步信号周期为:64us 64 / 0.125=512 采用19位计数器的低9位可以满足要求。 行同步脉冲宽度为4.7us,所以在计数器的低 九位值不大于38时产生行同步脉冲 38 ×0.125=4.75us 在计数器的低九位高于38时产生行同步正程 信号。

19. 场同步信号
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场同步信号的产生使用计数器的高11位,Q8-Q18, 相当于以2倍的行频计数,目的是满足帧同步中一 场所包含的312.5行的要求,每场计数器625个,一 帧1250个,11位计数器满足要求2的11次方=2048, 标准场同步宽度为2.5行,所以场同步脉冲宽度为 Q8-Q18〈=5。 5 ×32us=160us


二 : 电视原理

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