第3章 广播电视系统

第3章广播电视系统3.1广播电视系统概述3.2电视信号的产生3.3电视信号的处理3.4电视信号的形成3.5电视信号的发射3.6电视信号的无线传输及扩大电视覆盖范围的方法3.7电视信号的接收按照不同的标准，电视系统可以有不同的分类方法。广播电视系统和应用电视系统有线电视系统与无线电视系统模拟电视系统与数字电视系统普通电视系统与高清晰度电视系统单业务电视系统与多业务电视系统3.1广播电视系统概述广播电视系统是一种用于广播的非专用电视系统。由于它一般采用无线电方式进行信号传输,因此,广播电视系统也可称为无线电视系统或开路电视系统。目前,广播电视系统主要是广播这一单一业务。图3―1广播电视系统的组成方框图3.2电视信号的产生3.2.1彩色电视摄像机摄像机是电视系统的最重要的信号源,其性能的优劣往往对整个电视系统的质量有着举足轻重的作用。因此,对摄像机的要求很高。对摄像机的性能要求主要有:·分辨率要高。好的水平分辨率可达750线,差的也不能小于300线。·彩色逼真,轮廓清晰,灰度分明。·失真与干扰要小。·灵敏度要高。较好的摄像机的灵敏度约在40lx左右。·镜头口径及变焦比要高。一般采用10~15倍的变焦镜头即可。·使用特性要好。这要求调节简单,使用灵活方便及小型轻便等。1.彩色电视摄像机的基本组成目前,实用化的彩色摄像机主要是三管彩色摄像机和单管彩色摄像机两种。各种摄像机的构造类似,一般由以下几部分组成:(1)摄像机头。包括镜头、分光系统、摄像管、预放器、扫描电路、寻像器、摄像管电源及附属设备等。(2)视频信号处理部分。主要包括视频放大、增益调整、白电平调整、黑电平调整、电缆校正、黑斑校正、轮廓校正、彩色校正、γ校正、杂散光补偿、矩阵电路及消隐电路等。(3)编码器、同步机和彩条信号发生器。图3―2示出了三管式彩色摄像机的基本组成。2.摄像管摄像管是摄像机中的光—电转换器件,也是摄像机的关键器件之一。摄像管的质量、体积和种类决定着摄像机的质量、体积和调节方式。(1)真空摄像器件光电导摄像管。(2)固体摄像器件CCD摄像管。·寿命长。·成本低。·机械性能好,耐震、耐撞,不怕强光照射。·重合精度高。摄像管与镜头固定牢固,匹配精确。·暂留特性好,适于拍摄运动图像。①CCD的构成图3―3CCD的一个电极结构图②CCD的工作原理CCD的工作原理包括光电转换、信号电荷的积累和电荷转换。当硅晶体受到光照射时，半导体由于光激发，在晶体内部会产生电子－空穴对。由此产生的电子会在电场的吸引下落入势阱内储存起来，形成电荷包。势阱储存的电荷的数目与该处所受到的光照的强弱成正比。可见，当一个景物的光像投射到CCD面阵上时，就会在CCD面阵上形成积累电荷描绘的电子图像，从而完成光电转换与信息的储存。图3―5CCD电荷转移原理图三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列，每相隔两栅的栅电极连接倒同一驱动信号下。结论：当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（一位）。CCD中的电荷包转移过程类似于数字电路中的移位寄存器。图3―4一个面阵CCD的结构图3―6四相CCD的隔行扫描③CCD的隔行扫描3.光学系统光学系统也是彩色摄像机的重要组成部分,它不仅对摄像机的光谱响应特性有影响,而且也影响所摄取的景物及其彩色。彩色摄像机的光学系统主要由变焦距镜头、分色镜、中性滤光片和色温滤光片组成。变焦距镜头能够在拍摄点不动的情况下，缓慢或快速的连续改变摄取场面的大小。中性滤光片是为了实现不减小光圈而又要减小光通量的目的。色温滤光片是为了补偿因光源色温不同而引起的光谱特性的变化。3.2.2飞点影片扫描器在电视电影摄像机中,常常用到的一种设备叫飞点影片扫描器,简称飞点扫描器FSS(Flying-SpotScanner)。其组成和工作原理如图3―7所示。图3―7飞点扫描器3.2.3录放像机视频磁带记录就是把视频电视信号(电信号)以剩磁的形式记录在磁带上。存储记录方式可以是模拟式,也可以是数字式。数字式有许多优点,如失真、杂波小和复录对图像质量的影响小,可采用多磁头并行录放技术来解决最短记录波长及磁带—磁带相对速度的最高值受限问题等。目前,磁带录像机的种类十分繁多,但可归为三大类,即:(1)U型机或称Umatic。它采用3/4英寸磁带,在电视广播中用得较多。(2)β型机或称β―max。它采用1/2英寸磁带。(3)VHS。它也采用1/2英寸磁带。3.3电视信号的处理从摄像器件输出的电信号是十分微弱的，因此需要将它放大到足够的电平，而且还要进行一些补偿和校正。视频信号处理电路的如下所示：视频信号预放器电缆校正黑斑校正彩色校正箝位校正γ校正轮廓校正时基校正1.预放大级这是一个宽带视频放大器，它负责将摄像管输出的微弱图像信号放大到足够大，以便输送到后续电路中进行校正和补偿。所以对预放器的要求是：高增益（大于90db）、宽频带（6MHz以上）、高信噪比输入级放大级频率校正增益控制输出级负反馈2.电缆校正摄像机头离控制台(调像台)往往比较远,从机头到调像台的传输电缆就比较长,其分布参数会使图像信号的高频分量跌落,影响图像清晰度。射随器电缆校正网络可调增益放大器迭加输出级3.黑斑校正黑斑效应是指在所拍摄的画面上出现非照明因素而造成的亮度不均匀现象。黑斑效应有两种表现形式：调制型和叠加型。克服方法：对于叠加型黑斑采用附加一个极性相反的不均匀信号；而对于调制型黑斑型则要用一个极性相反的附加信号与之相乘。孔阑效应对信号波形的影响为信号轮廓不分明，出现过渡期，影响清晰度。4.轮廓校正(孔阑校正）5.箝位放大（直流恢复）箝位电路用来恢复反映图像背景亮度的直流分量。6.彩色校正彩色校正主要使摄像机的光谱响应特性与显像管的三基色混色曲线一致。7.γ校正减小显像管和摄像管光电转换特性的非线形。3.3.2切换及特技处理1.电子编辑电子编辑的方式通常有两种,即插入和组合。2.特技处理特技发生器的功能有:·切换·混合·划变·软键,主要是把黑白摄像机拍摄的图案插入到节目图像中去·键控,分为内键和外键两种·字幕叠加·底色变换·图样调制·边框与边线·定位。此外,数字视频特技的应用也越来越广泛。下面介绍几种基本的特技处理方法。(1)切换。①快切换。②慢切换。图3―9快切换原理图图3―10录像机自动播控系统图3―11慢切换的几种方法图3―12划变原理图图3―13字幕叠加原理图(2)划变。(3)键控。(4)字幕叠加。(5)数字特技。①图像的放大与缩小。②油画效果。③瓷砖效果。④画面冻结。⑤裂像效果。⑥镜像效果。⑦倒影。⑧多画面与画中画(PIP)。⑨三维特技效果。3.4电视信号的形成3.4.1视频全电视信号的形成摄像机输出的三基色信号，经过各种校正处理后，与各种同步信号一起送入编码器，再经过一系列的处理加工后形成彩色视频全电视信号输出。在电视台通常由同步机来产生各种所需的同步信号。PAL制彩色电视同步机产生七种同步信号：行推动信号H、场推动信号V、复合同步信号S、复合消隐信号A、副载波F、色同步选通脉冲K和PAL识别脉冲P。电视台在进行节目联播或作实况转播时,由于本台的同步与外来的同步不一致,将会造成图像翻滚,甚至丢失图像。解决这一问题有以下三种方法。(1)帧同步器法。(2)台从锁相。(3)台主锁相。图3―14帧同步器工作原理图3―15台从锁相3.4.2射频电视信号的形成1.地面广播电视系统射频电视信号的形成(1)使用频段VHF（48～223MHz）、UHF（470～960MHz）(2)调制方式图像信号采用残留边带调幅，伴音信号采用调频制。残留边带调幅就是发送一个完整的上边带和一小部分下边带，抑制大部分下边带。图像信号采用残留边带调幅可使已调图像信号的频带较窄，滤波器易实现；图3―16残留边带调幅的幅频特性图3―17接收机中放幅频特性视频信号为一单极性信号，经调制后可以是正极性射频信号，也可以是负极性射频信号。我国采用的是负极性调制的方法。负极性调制的方法有以下优点：可使调幅信号的平均功率降低；可有效降低干扰；便于将同步顶用作基准电平进行自动增益控制。图3―18负极性射频图像信号②伴音信号的调频广播电视中伴音信号的频率范围在50Hz到15kHz之间。我国规定已调伴音信号的最大频偏为50kHz，所以已调伴音信号的带宽为：B=2(Δfm+Fmax)=2(50+15)=130kHz图3―19已调伴音信号的频谱(3)射频全电视信号的频谱及频道划分以8MHz为间隔，我国电视频道在VHF和UHF频段共分为68个频道。其中，频率为92～167MHz，566～606MHz的部分供调频广播和无线电通信使用。在开路电视系统不安排电视频道，但在有线电视中常设置增补频道。图3―20射频全电视信号的频谱表3―1我国电视频道的划分表2.卫星广播电视系统射频电视信号的形成（1）频段划分卫星广播电视系统使用微波频段。（300M~300GHz）微波频段带宽很宽；频率高，可使天线尺寸大大减小，增益提高，方向性增强；微波能穿过电离层；微波频段相对较为“空闲”。根据国际电信联盟ITU的有关规定，卫星广播下行频段有六个，目前使用较多的为C波段（2.5G）和Ku波段（12G）。由于波段资源有限，卫星广播下行电波均采用不同的极化方式，达到频率复用的目的。表3―2卫星广播下行频段下行频段：卫星的发射频段。上行频段：卫星的接收频段。表3―3我国C波段频道划分(2)调制方式①FM―FM方式。②PCM―FDM―FM方式。③MAC方式。(3)卫星电视信号的能量扩散表3―4几种MAC制的性能指标3.5电视信号的发射3.5.1电视发射机1.电视发射机的种类电视发射机的种类主要根据电视图像发射机的分类方法不同而有各种命名。就图像发射机而言,可以有多种分类。按照工作频率范围来分，有VHF发射机和UHF发射机两种。按照输出功率的大小来分，有小型电视发射机(1kW以下)、中型电视发射机(1～10kW)和大型电视发射机(10kW以上)三种。按照图像信号的调制形式来分，有直接调制式和中频调制式两种。目前的电视发射机一般都采用中频调制方式。按照放大方式来分，有双通道电视发射机和单通道电视发射机两种。双通道电视发射机是对图像信号和伴音信号分两个通道分别进行调制和放大，然后加以合并再发送的。2.电视发射机的组成及工作原理电视发射机由图像发射机和伴音发射机组成。目前,常用的中频调制电视发射机有两种形式,即双通道电视发射机和单通道电视发射机,如图3―21所示。图3―21电视发射机的组成框图(a)双通道电视发射机(b)单通道电视发射机3.电视发射机的主要指标根据我国的电视标准,电视发射机有以下主要指标:·标称射频频道宽度:8MHz·伴音载频与图像载频的频距:±6.5MHz·频道下限与图像载频的频距:-1.25MHz·图像信号主边带标称带宽:6MHz·图像信号VSB标称带宽:0.75MHz。·图像信号调制方式及调制极性:振幅调制负极性·伴音调制方式:调频,Δfm=50kHz,预加重时常数为50μs。·图像发射机与伴音发射机的功率比:10∶1～15∶1,这是为图像发射机与伴音发射机有相同的覆盖范围设置的3.5.2电视发射天线电视发射天线,根据频段的不同,主要分为VHF天线和UHF天线两大类。在实际中,常常使用多层蝙蝠翼天线。多层蝙蝠翼天线在水平面内的方向图与单层的基本相同,近似为一个圆。在垂直方向上,方向图与层数有关层数越多,垂直方向性越尖锐,增益提高,远区场增加。多层蝙蝠翼天线的增益通常由下式确定:1.22SGN(3―2)图3―22蝙蝠翼天线结构3.6电视信号的无线传输及扩大电视覆盖范围的方法3.6.1电视信号的无线传输1.电视信号的传播特性(1)视距传播视距(最大直视距离)与发射天线和接收天线的高度有关。设发射天线和接收天线的高度分别为h1和h2,则视距d为123.57()()dhhkm(3―3)式中,h1和h2以m为单位。实际上,大气层对电波会有一定的折射作用,从而会改变视距的大小。在正常折射时,有效传播距离d′比视距会稍远些,近似为(2)多径传播电视信