第3章+++广播电视系统.ppt

1 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 2 电视系统按应用特点划分 广播电视系统 应用电视系统按传输方式划分 无线电视系统 有线电视系统按传输信号划分 模拟电视系统 数字电视系统一个电视系统的功能应包括电视信号的产生 变换 传输 记录与重放 接收与显像等 3 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是一个广播电视系统的组成方框图 4 包括摄象机 标准信号发生器 电视电影 幻灯 录像 现场转播 城际节目交换 图3 1广播电视系统的基本框图 5 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 如10 15倍的变焦镜头 使用特性好 要求调节简单 使用灵活方便及小型轻便等 6 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 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 7 图3 2示出了三管式彩色摄像机的基本组成 8 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 光电导摄像管 2 CCD ChargeCoupledDevices 摄像管 寿命长 成本低 体积小 重量轻 均匀性好 几乎没有几何失真 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 CCD摄像管的缺点主要是存在垂直拖尾现象 但采用帧行间转移 FIT 型CCD可以基本克服这种现象 9 CCD的构成 图3 3CCD的一个电极结构图 也叫势阱 电压越高 势阱越深 CCD阵列可分为 线阵CCD 同时存储一行信号 面阵CCD 同时存储完整的一副图像信号 包括以下类型 帧转移 FrameTransferFT 行转移 LineTransfer LT 行间转移 InterlineTransfer IT 帧行间转移 FrameInterlineTransferFIT 10 图3 4 a 一个面阵CCD的结构 光敏区 存储区 11 图3 5面阵CCD的几种结构形式 a FT b IT 场正程期间积累 场消隐期间转移 每行正程期间从水平移位寄存器读出一行 并在行消隐期间向前推进一行 容易产生拖尾 光敏部分和存储部分以垂直列相间的形式组合 场正程期间在成像列积累信号电荷 场消隐期间一次转移到相应存储列上 存储列的信号在每一行消隐期间沿垂直方向下移一个单元 在行正程期间由水移位寄存器逐像素读出信号 12 帧行间转移型CCD中电荷包从成像区向存储区转移是在场消隐期间进行的 而在光屏蔽和存储列中进行 拖尾基本上不存在 c FIT 13 CCD的工作原理 要经过三个步骤 即光电转换 电荷积累 转移与读出 光电转换与电荷积累当光射到P型硅晶体上 由于激发而产生电子空穴对 电荷在电场作用下落入势阱中 电子的数目与光强成正比 电荷转移 14 图3 6CCD电荷转移原理图 三相时钟驱动信号 寻址转移信号 15 CCD的隔行扫描 图3 7帧积累方式电荷转移 a 奇数场 b 偶数场 帧积累的时间是1 25S 上场的电荷保留在光敏区 出现在下一场中 故有一场时间的延迟 这会引起动态分辨率降低 16 图3 8场积累方式电荷转移 a 奇数场 b 偶数场 场积累的时间为1 50S 而且具有以下特点 没有一场的延迟 图象垂直边沿闪烁减小 宽的动态范围和抗弥散性好 但垂直方向分辨率略有降低 17 图3 9四相CCD的隔行扫描 18 CCD彩色摄像机 单片CCD摄象机 图3 10采用GCFS滤色器的单片CCD彩色摄象机方框图 镶嵌式滤色器 GreenFieldCheckerSequence 19 a b 图3 11 a GCFS滤色器 b 光敏单元与滤色器的相对位置关系 每行只有两种基色 20 图3 12第n和n 1行上R G B电压信号分离 a 第n行 b 第n 1行 第n行 延迟后的n 1行 21 三片CCD摄象机的分辨率要比单片CCD机好的多 因而在广播电视中常用三片机 图3 13三片CCD彩色摄象机方框图 三片CCD摄象机 22 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 图3 2 23 图3 14飞点扫描器 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 FlayingSpotScanner 其组成和工作原理如图3 14所示 24 3 2 3录放像机视频记录就是把视频电视信号 电信号 记录下来 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 目前最广泛的视频记录有 磁带记录VTR VideoTapeRecording 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 型机或称 max 它采用1 2英寸磁带 3 VHS 它也采用1 2英寸磁带 激光视盘LD LaserDisk 视频压缩视盘 VideoCompactDisk 数字视盘 DigitalVideoDisk 25 图3 15视频电视信号的处理 3 3电视信号的处理 电缆校正 黑斑校正 轮廓校正 灰度校正 直流分量恢复 彩色校正等 视频切换 特技处理 视频预放大 高频补偿 26 3 3 1校正处理1 反杂波校正由摄像管输出的信号非常微弱 需要在摄像机机头内紧靠摄像管处设置预放器 将微弱信号放大 通常在摄像机头内设置有杂波抑制电路或反杂波校正电路 提高信噪比 进行高频补偿 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 因此在调像台要对高频分量进行提升 3 黑斑校正由于多种原因 如摄像机镜头各区域亮度不均匀 投射在光电靶面的背景光不均匀及电子束在靶面边缘不能垂直上靶等 会使重现图像出现黑斑或色斑 27 4 轮廓校正 孔阑校正 电子束有限的截面积会产生孔阑效应 从而影响清晰度 反映在信号频谱上是使高频端幅度发生跌落 而不影响相频特性 因此可采取高端补偿的办法来进行校正 即取出图象信号中的与亮度突变的图象边沿轮廓相对应的部分 加工处理后再加到原信号当中 5 直流恢复由于有些电路采用交流耦合 这样会使图象中的直流和低频分量损失 从而使亮度畸变 通常利用钳位电路来实现 6 灰度校正 校正 由于光电转换的非线性 会因此图象亮度失真 引发 畸变 常用二极管来完成校正 28 7 彩色校正使摄象机的光谱响应特性与显象管的三基色混色曲线一致 主要采用修正法与合成法 8 时基校正 29 3 4电视信号的形成 3 4 1视频全电视信号的形成为了形成播出的全电视信号 必须产生各种同步信号 这需要一个同步机 主要产生行推动信号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 色同步旗型脉冲K PAL识别脉冲P等七种信号 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 30 1 帧同步器法 将外台信号数字变换存储起来 然后用本台的同步信号控制读出 见图3 16 图3 16帧同步器工作原理 31 图3 17台从锁相 2 台从锁相 本台同步机受外来信号锁定 如图3 17 有外信号时锁定 外信号消失后自动转入内锁相同步 3 台主锁相 将外来信号的各种节目源的同步信号锁定在本台同步机所产生的各种同步信号的频率和相位上 32 3 4 2射频电视信号的形成射频信号 视频全电视信号和伴音信号经过载波调制后的信号 1 地面广播电视系统射频电视信号的形成 1 使用频段 在超短波范围 甚高频 VHF 段 48 223MHz 和超高频 UHF 段 470 960MHz 2 调制方式 为了提高频段利用率 提高接受信号的信噪比 图象信号采用残留单边带调幅VBS 而伴音信号采用调频FM 33 图像信号的残留边带调幅 图3 18残留边带调幅的幅频特性 VSB的特点 一种不均匀调制 已调信号窄 只有8MHz 滤波器比SSB容易实现 容易解调 图3 19接收机中放幅频特性 图象中频38MHz 50 最小衰减20dB 34 对于图象信号 一般采用负极性调制 这样可具有以下优点 调幅信号的平均功率下降 工作效率高 视觉对干扰信号不太敏感 容易实现自动增益控制 图3 20负极性射频图象信号 35 伴音信号的调频 电视伴音信号的频率范围在50Hz 15kHz之间 我国规定伴音调频信号的最大频偏为50kHz 因此伴音调频信号带宽为 B 2 fm Fmax 2 50 15 130kHz 3 1 图3 21已调伴音信号的频谱 由于在最大频偏一定时 调制指数与调制频率成反比 因此高频端调频指数mf很小 使高端抗干扰能力变差 可在发射端采用预加重措施 在解调时在去加重的办法加以补偿 36 图3 22射频全电视信号的频谱 3 射频全电视信号的频谱及频道划分 37 92 167MHz留给调频广播和无线电通信 VHF 38 566 606MHz留给调频广播和无线电通信 39 40 41 2 卫星广播电视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波段 主要是因为 微波频段带宽很宽 信道容量大 微波频段频率高 波长短 可使星上和地面的天线尺寸大大减小 增益提高 方向性增强 从而减小卫星的体积和重量 降低对发射功率的要求 且可防止对邻近区域的干扰 微波频段不易受大气扰动噪声的影响 微波能穿过电离层 无线电业务已占用较低频率 而微波频段相对比较 空闲 根据国际电信联盟ITU InternationalTelecommunicationUnion 规定 卫星广播下行频段如表3 2 42 43 频率范围 3 4 4 2GHz频道带宽为19 18MHz 目前使用主要是L S Ku波段 用于地面卫星通信和微波通信的C波段也可以用于无线电广播 年 我国均使用 频段转发器传送 随着 频段卫星技术日臻成熟 从 年 月起 我国广播电视节目陆续使用 频段传送 44 频率范围 10 75 12 75GHz频道带宽为19 18MHz 45 2 调制方式 FM FM方式 先用伴音信号对伴音副载波调频 然后在与图象信号混合成复合基带信号 最后用复合基带信号对主载波调频后发射出去 PCM FDM FM方式 先对伴音信号进行采样 量化和编码 PCM 变成数字信号 然后对伴音副载波调频或调相 实现频分复用 FDM 最后把已调数字伴音信号与图象信号混合成复合基带信号 对主载波调频 形成射频全电视信号 46 MAC方式 MAC MultiplexedAnalogComponent 是复用模拟分量模式 对亮度和色差信号采用时分复用 TDM 的传送方式 克服FDM方式下亮 色串绕问题 表3 4几种MAC制的性能指标 47 48 3 卫星电视信号的能量扩散 49 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 按工作频率范围划分 VHF电视发射机和UHF电视发射机 按输出功率大小划分 小型 10kW 按图像调制方式划分 直接调制式和中频调制式 按信号放大方式分 双通道和单通道发射机 50 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 23所示 51 图3 23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 52 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 fm 50kHz 预加重时常数为50 s 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 53 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 3 2 N 层数S 两层振子的中心间距 一般为 0 85 0 95 频道中心波长 54 图3 24蝙蝠翼天线结构 55 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 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 3 4 56 2 多径传播 由于地面和障碍物的反射与折射作用 实际到达接收机的信息来自很多方向 形成多径传播 结果表现为重影 3 绕射传播因为射频电视信号频率频率很高 所以绕射能力差 因此在某些高大障碍物后面很容易形成阴影区 接受质量很差 57 2 电视信号场强的估算接收点场强可用下式来估算 3 5 P 发射台辐射功率 Kw G 与半波振子天线增益之比的相对增益r 收发间距离 km 工作中心频率波长h1 h2 发 收天线的高度 m 58 表3 5图像质量与接收场强关系表 59 3 6 2扩大电视覆盖范围的方法1 微波中继微波中继又称微波接力 它是在电视广播传送途中 建立许多微波中继 接力 站 利用微波 把电视信号一站一站地传送 微波中继有以下优点 直射性好 微波的波长非常短 在cm或mm数量级 因此 其直射性能很好 传输信号质量高 微波线路传送的电视信号的质量比用短波或超短波传送的质量要高 这是由于微波的直射性好 性能稳定 抗干扰能力强 且微波中继线路通常为专用线路 可双向传输 双向传输可以实现中央台和地方台的各种电视节目的双向交流 而不互相影响 60 图3 25微波接力信道的构成 61 图3 26微波接力站结构 a 端站 b 中继站 62 2 电视差转电视差转是电视差频转播的简称 它也是一种电视中继或转播措施 电视差转的主要功能是将接收到的主台 或称骨干台 某频道的电视节目 经过差转机的频率变换 放大后 再用另一频道发射出去 从而扩大主台的覆盖范围或服务面积 因此它是超短波传送 差转机一般由接收和发射两不分组成 可分为一次变频 二次变频或单通道 双通道几种类型 63 图3 27一次变频单通道差转机框图 1 一次变频单通道差转机 简单 成本低 收发隔离度差 容易产生收发间的串绕 64 图3 28二次变频单通道差转机框图 2 二次变频单通道差转机 本振频率高 不容易对发