第六章电视新技术概论

您现在的位置是：网络教程-第六章第六章电视新技术概论6.1卫星电视广播6.2数字电视6.3高清晰度电视（HDTV)6.4共用天线电视（CATV）系统6.5电视多工广播6.6立体电视我们面临的时代特点是：通信、电视、无线电广播技术和设施迅速发展，传送各种各样信息的需求不断增加。这些领域中科学技术的进步将在很大程度上促进我国各项事业的发展。近十几年来，电视技术随着通信技术与数码技术的高速发展取得了划时代的进展，最突出的是电视节目可以通过卫星在国际传送，并能用数字制式转换器进行不同电视制式的转换，使电视节目能被各个国家收看。但是现在的电视质量仍有两方面的问题，一是清晰度不够高。因为现有的彩色电视是基于与黑白电视兼容而建立起来的，这就造成清晰度低、色度信号在传送过程中的失真及易受干扰等缺点。二是服务范围不够广。为了提高清晰度和提供更好的图像质量，除了改进原有的发送和接收系统外，还必须努力发展高清晰度电视、数学电视和立体彩色电视。为了扩大服务范围（即提高电视覆盖率），必须努力发展卫星电视广播、电缆电视（CATV）系统以及数字录像机和激光电视唱片等。为了使电视技术更好地服务于国民经济各个部门，还必须努力发展各种应用电视，使电视技术渗透到国民经济每一个角落。以上所述是电视新技术发展的四个主要方面，另还有许多新的课题等待人们去开发和研究。全面深入地论述各种电视新技术是不容易的，本章仅对主要的电视技术作一概略性介绍。§6.1卫星电视广播6.1.1概述一、卫星电视广播系统的组成卫星电视广播顾名思义就是通过卫星直接给广大地区的观众播送电视节目的技术。其系统组成如图6.1－1所示。地面发射台以定向波束将节目信号发往卫星（称为上行线路），星载传发器将接收到的信号进行变频、放大处理后，再以定向波束向规定地区发射（称为下行线路）。地面接收站有专业接收站和简易接收站（机），前者可供转播使用，后者供个体或集体接收作用。主收发站除传送节目信号外，还承担对卫星的遥测、跟踪与控制。移动站是适应从特定地点传送实况节目的需要而设置的。二、发展卫星广播的原因众所周知，现在的电社广播使用米波和分米波段，这些超短波只能直线传播而不能绕射，故高频电视信号只能在发射与接收天线的直线距离内进行有效接收，一部几十千瓦的米波段发射机只能覆盖几十里。对于幅员辽阔、地形复杂的我国，必需有数量众多的电视发射台和转播台才能覆盖全镜。这个庞大的“传送网”和“发送网”需要巨额的基建投资维护费用，还需要数以万计的维护人员日夜辛勤地工作。采用卫星电视广播可以扭转这种被动的局面。由于卫星处于赤道上空35，800公里的同步轨道，它与地球同步旋转。地面观察者觉得它在天空“静止不动”。它居高临下，如果卫星上装上微波发射机，且天线张角为17.4°，就能覆盖1.7亿平方公里的地面，即1/3的是球表面积；如果三个同步卫星就能覆盖整个地球，如图6.1－2所示。由此可见，一个国家或地区只要一颗卫星就使每一角落能直接收到卫星发来的信号，这就能直接收到卫星发来的信号，这就解决了地面电视难以解决的覆盖率问题（我国中央电视台的覆盖率仅30％），特别是对于疆域辽阔、多山、多湖泊、多岛屿、多沙漠的地方（这些地区是地面电视较难达到的地方）。因此，卫星电视是解决覆盖问题最好的办法。国土面积在300万平方公里以上的国家利用卫星来解决覆盖率，在经济上是合算的。卫星电视广播是在航天电视和卫星通信的基础上发展起来的。航天电视是用来直接从宇宙探测器上向地面发送关于宇航员、宇宙飞船、它们周围环境的情况及其它天体图象的电视系统。通信卫星系统是利用设置在对地静止的赤道同步卫星，实现相距离远的两地（点对点）的通信系统。由于它们的发展，人们于是想到利用卫星实现点对面的面积广播。三、实现卫星电视广播必须解决的问题1、广播卫星必须是对地相对静止的，有正确的工作姿态，发射天线的指向精度要高，卫星及其设备的寿命要长。目前广播卫星设计寿命通常为5～7年。2、卫星广播应选用合理的工作波段，不应干扰地面电视广播。3、卫星广播应具有足够的发射功率，以简化地面接收设备。然而，卫星重量是有一定限制的，加上依靠太阳能供电，卫星的发射功率一般只能做到200瓦左右，显然这是必须解决的矛盾。4、卫星广播应选用合理的电视制式，尽可能与现有地面电视广播相兼容，或者尽可能利用地面广播接收设备来收看卫星电视广播。同时，还要考虑利于向数码电视和高清晰度彩色电视的过渡问题。对于第一个问题，大部分已超分已超出无线电技术和通信专业的知识范畴，本书将不矛计论。下面仅分别对后三个问题加以简单论述。6.1.2卫星电视广播的频段选择正确地先择卫星电视广播的频段是很重要的。开始时，人们曾考虑过卫星电视广播与地面电视采用同样的频道，以便于地面电视接收设备能够直接接收。然而，它将带来对其他他区或国家同频段范围电视节目的干扰，显然这行不通。加上卫星广播必须采用调频方式（见6.1.3节）所占频段很宽，相当于3～4个地面电视频道，显然不宜采用VHF频段。因此，在1971年和1979年世界无线电行政大会（WARC）上，都分别作出决定，卫星电视广播采用比地面电视更高的频段。例如2.5～86GHz；同时容许RHF波段内的0.62～079GHz频段可以用卫星电视广播。在这一频段内为了减少干扰，只能使用调频方式，还要在与领土受到干扰的国家达成协议的条件下，才能使用。现在，卫星电视广播共分为六个频段，如表6－1所示。按规定将全世界的卫星电视广播分为三个区；第一包括欧洲、蒙古、土耳其和阿半岛；第二区是美洲；第三区是亚洲和大洋洲。而且，还具体将波段划分为：11.7～12.2GHz，带宽500MHz，供第二、第三区使用；11.7～12.5GHz，带宽800MHz，供第一区使用；12.5～12.75GHz，带宽为250MHz，供第三区使用。我国已决定将采用K波段作为卫星电视广播波段。第三区使用11.7～12.2Ghz频带划分为24个频道，如表6－2所示。由表可见，各频道的间隔是19.18Mhz。6.1.3卫星电视广播制式的探讨一、调制方式如果卫星电视广播也与地面电视广播一样，采用残留边带调幅方式，则所需发射功率很大，才能有效地覆盖卫星电视管辖的区域，以达到地面接收设备可以有效接收的信号场强。根据目前的水平，这是难于实现的。根据信息论中香农一哈脱菜定律，带宽与信号功率可以互换。为了以给定的速率传送信息，如果增加带宽，则发送的信号功率可以减少。相反，如果信号功率加大，则带宽可以压缩。根据这一原理，如果采用调频方式，并且增加调制指数，可使信号的带宽加大，以此等效地加大发射功率，提高了地面接收设备输入信号的载噪比，有利于地面接收设备的简化。由于降低了对地面卫星接收设备的要求，从而实际了采用低功率的卫星发射机而得到高质量的卫星接收效果。其次，地面电视采用的同步方法，也不适宜用在卫星电视。因为附加在图象信号上的同步电平扩大了信号的动态范围，降低了卫星发送功率传送有用信号的效率，故必须采用新的同步方式。现在，卫星电视广播都采用在行、场逆程期间以码或者正弦波群的形式发送同步信号，这样可以把发射机的动态范围完全用于发送图象信号。第三，为了节省卫星的能源，在发送伴音信号时，不宜扩展发送电视信号的频带，而是采用亮度、色度、伴音时分复用的方式，在行逆程期间以码的形式来传送伴音信号。通过以上措施，可以实现卫星采用较低的发射功率，而使达到地面的电视信号具有较高的载噪比，从而的利于地面卫星接收设备的简化。二、卫星电视广播的制式卫星电视广播的制式主要是讨论视频信号编码问题。由于卫星电视的射频信号已与地面电视广播不能兼容，因此目前的电视机必须附加设备才能接收。既然如此，视频信号的编码就不必象地面电视那样，还要受到黑白与彩色兼容的限制，可以重新考虑亮度、色度、同步和伴音等信号新的编码方式，并且这种新的编码方式应尽量为卫星电视传送数码电视和高清晰电视创造条件。目前公认采用MAC（MultiplexedAnalo§ueComponent）即模拟分量时分多工方式作为卫星电视广播的制式最合适。MAC方式基本特征是把亮度、色差和伴音这三个分量以模拟时分方式进行编码。它与目前的广播电视编码方式相比，具有下列优点：1.无微分增益、相位失真，无亮度和色度交扰，改善了图象质量。2.具有向高清晰度、数码电视图象发展的潜力。3.更有效地利用了传输信道，适合于调频信号的传输。4.为实现有条件接收（如收费电视）提供了扰码技术。MAC信号的基本组成如图6.1－3所示。为了与现存的行、场标准相兼容，MAC采用了时间压缩技术。比如，在时间轴上把色差信号压缩至原来的1/3，把亮度信号压缩到原来的2/3，在原来的行消隐期间传送伴音、同步等数据。把这三个模拟分量按图6.1－3所示先后次序放在时间轴上，即完成了以MAC方式实现的一行电视信号。各个分量的时间压缩比例、伴音和视频的复用方式都是可以选择的。伴音的编码和调制方式也是可以选样的。于是对各种不同的选样，就出现了各种的不同的MAC。统称为MAC族。经过一段时间的研究，有些被淘汰了，有些则得到发展并进入了实用。各种MACF之间的区别主要在于伴音/数据和视频信号的复用方式。它可以分为两类：第一类，亮度分量和色差分量时分复用构成视频信号，然后再和伴音信号进行频分复用构成全电视信号。这一类有A－MAC，D－MAC。第二类，亮度、色差和伴音三个分量均时分复用。这一类有C－MAC，B－MAC，D2－MAC。其中，C－MAC属于C型伴音复用方式，即射频复用；B－MAC和D2－MAC属于B型伴音复用方式，即基带复用。B－MAC和D2－MAC复用方式相同，即基带复用；但是伴音/数据编码方式不同。B－MAC采用自适应增量调制编码方式（ADM），容量约为1.6兆比/秒，它具有提供单基带接口的能力。在上述几种MAC中，B－MAC最先成为实用系统，1985年10月首次澳大利亚区式开始使用，该系统由美国科学亚特兰大公司开发。相比之下，B－MAC方式具有较大的优越性，很可能成为世界性卫星电视卫星广播的一标准制式。6.1.4卫星电视广播的若干问题一、预加重与去加重由于卫星电视广播都采用调制式，为改善幅度小的信号高频分量的信杂比以及减少接收机鉴频器输出的总杂波，必须在收、发两端采用预加重与去重措施。其原理与地面电视中伴音信号的预加重和去加重相同。二、能量扩散采用调频制的卫星广播，当没有调制信号或传送某一固定电平（如黑电平）时，将发生信号功率在频谱中某一狭窄范围内的集中，从而造成地面共用频段的其它电信业务（例如，微波通讯）受到很强的干扰。为此，必须采用能量扩散措施。所谓能量扩散就是人为地在电视视频信号上迭加一个低频有三角波，使得不论有无调制信号，载频都受此三角波的调制，因而功率在频谱中将扩散分布，从而减少地面其他共用频段的电信业务的干扰。为了能量扩散而加入的三角波，在接收端可用视频钳位法或反相低消法去消除。另外，能量扩散还会扩大射频带宽，因此必须在上述两者之间折中考虑。三、门限扩展解调由于卫星电视发射功率很小，到达地面的射频信号的载噪比通常比较低。众所周知，任何一个FM解调器都有门限效应，在输入信号载噪比低于一定的门限值时，解调输出端的信噪比的恶化输入载噪比的下降要急剧多。当处于门限以下时，如果解调器输入噪声如图6.1－4（a）所示，则由于门限效应输出噪声特性将如图6.1－4（b）所示。在原噪声中加进了幅度很大的尖峰脉冲，并称之为FM门限噪声。怎样提高输入信号的载噪比，使之高于限值呢？压缩解调器输入端的带宽故然可以压低杂波功率，但是调频信号的抗干扰能力只有在传输带宽较宽时才较明显，对调频信号而言，解调器的输入端又必须是宽带的。为了解决这一矛盾，提出了门限扩展解调技术，即采用一种对信号为宽带而对杂波为窄带的解调电路，使门值得以降低。门限扩展解调的方法之一是利用跟踪滤波型解调电路，如图6.1－1所示。在限幅器与鉴频之间插入一个跟踪滤波器，它是一个中心频率受控的动态带通滤波器。在控制信号作用下，滤波器的中心频率能按入一定规律跟踪输入调频信号的瞬间频率，其带宽D|d比调频信号的带宽