任务1 了解电视系统的工作过程
电视系统的工作过程是指电视信号的摄取、处理、传送与重现的过程，如图1-1所示。
图1-1 电视系统工作过程方框图
1.图像的摄取、传播与重现
a.图像的摄取
图像的摄取是基于光→电转换原理，利用摄像机来实现的，如图1-2所示。
摄像机有多种类型，下面以光电导摄像管为例，说明图像摄取的原理。
光电导摄像管的结构主要包括光电靶和电子枪两部分，在外部还装有偏转线圈、聚焦线圈和校正线圈，如图1-3(a)所示。
图1-2 摄像机摄取图像
图1-3 摄像管及图像信号的产生示意图
在摄像管的前方玻璃内壁上，镀有一层透明的、导电性能良好的金属膜，在金属膜内有一层光电导层，称为光电靶，它由半导体光敏材料制成。被摄景物通过光学镜头正好在光电靶面上成像。由于光像各部分的亮度不同，使靶面各部分的电导率不同，与光像较亮部分对应的靶像素电导较大，与光像较暗部分对应的靶像素电导较小，于是“光像”就变成了“电像”。
电子枪装在真空玻璃管内，产生的电子束由阴极射到光电靶，电子束在行、场偏转磁场的作用下，沿靶面从上到下、从左到右地进行扫描，拾取光电靶上各点的信号，产生回路电流，如图1-3(b)所示。当电子束扫描到亮光点对应的靶像素时，靶像素的电导较大，产生的回路电流较大，输出的图像信号电平较低;当电子束扫描到暗光点对应的靶像素时，靶像素的电导较小，产生的回路电流较小，输出的图像信号电平较高。
这样，就完成把一幅图像分解成像素，并且把各像素的亮度转变成电信号的过程。
b.图像的重现
电视图像的重现是通过显像管等显示器件来实现的。显像管是一种电真空器件，它主要由电子枪和荧光屏两部分组成，其结构如图1-4所示。
电子枪被封装在玻璃管壳内，由灯丝、阴极、栅极、加速极(第一阳极)、聚焦极(第三阳极)、高压阳极(第二、四阳极)组成。在显像管屏面玻璃内壁涂有一层荧光粉，使之成为荧光屏。
电子枪的作用是发出一束聚焦良好的电子束，以高速轰击荧光屏上的荧光粉，使之发光。荧光屏的发光亮度除了与荧光粉的发光效率有关外，还与电子束电流的大小和轰击速度有关。
在显像管电子枪各极加上适当的直流电压，则产生一个聚焦良好的电子束高速轰击荧光屏，在屏幕中心产生一个亮点。这时，如果给套在管径上的偏转线圈中通入合适的电流，则形成偏转磁场，控制电子束对荧光屏进行扫描，形成亮度均匀的“光栅”。在形成光栅的基础上，再在显像管的阴极与栅极之间叠加上图像电信号，控制电子束电流的大小，使电子束电流的变化与发送端被摄景物的亮度变化一致，并保证电子束扫描与发送端的扫描同步，就可在荧光屏上重现被摄景物的图像。
图1-4 显像管结构示意图
【知识链接1】电子扫描
1.电子扫描概述
在电视技术中，电子束在电磁场的作用下在摄像管或显像管的屏面上按一定规律做周期性的运动叫扫描。
a.行扫描和场扫描
当行偏转线圈中流过如图1-5(a)所示的行扫描锯齿波电流时，可产生一个水平方向的偏转力，使电子束沿水平方向扫描，称为行扫描。其中，电子束从左到右的扫描叫行扫描的正程(THs)，从右到左的扫描叫行扫描的逆程(THr)，正程与逆程之和称为一个行扫描周期(TH=THs+THr)。电子束仅作行扫描时，将在荧光屏中央位置出现一条水平亮线，如图1-5(b)所示。
图1-5 行扫描电流及其作用示意图
当场偏转线圈中流过如图1-6(a)所示的场扫描锯齿波电流时，可产生一个垂直方向的偏转力，使电子束沿垂直方向扫描，称为场扫描(或帧扫描)。其中，电子束从上到下的扫描叫场扫描的正程(TVs)，从下到上的扫描叫场扫描的逆程(TVr)，正程与逆程之和称为一个场扫描周期(TV=TVs+TVr)。电子束仅作场扫描时，将在荧光屏中央位置出现垂直一条亮线，如图1-6(b)所示。
图1-6 场扫描电流及其作用示意图
b.逐行扫描和隔行扫描
在电视技术中，行扫描和场扫描是同时进行的，且行扫描速度远远大于场扫描速度，所以屏幕上得到的是一行紧挨着一行略向右下方倾斜的水平亮线，这些亮线合成为光栅，如图1-7(a)所示。
图1-7 逐行扫描示意图
这种电子束自上而下一行紧跟一行的扫描方式称为逐行扫描。图1-7(a)中实线表示行扫描正程，虚线表示行扫描逆程。电子束在垂直方向从A到B为帧扫描正程，从B回到A为帧扫描逆程。由于帧扫描逆程的时间远远大于行扫描周期，所以从B回到A的帧逆程扫描轨迹不是一条直线，而是进行多次左右折射的扫描，如图1-7(b)所示。电子束在扫描正程期间传送和重现图像，而扫描逆程不传送图像内容，电子束只是为下次扫描正程做准备，因此要设法将逆程期间的电子束截止，使逆程扫描线(称为回扫线)不在荧光屏上出现。
逐行扫描存在这样一个问题，如果每秒钟传送25帧图像，则会有闪烁感;如果每秒钟传送50帧图像，虽然可克服闪烁感，却使电视信号所占频带太宽，使电视设备复杂化，且在一定电视波段范围内使可容纳的电视台数目减少。因此，电视广播一般不采用逐行扫描方式，而采用隔行扫描方式。
所谓隔行扫描就是把一帧图像分为两场来扫描，第一场扫描1，3，5等奇数行，形成奇数场图像，如图1-8(a)所示;第二场扫描2，4，6等偶数行，形成偶数场图像，如图1-8(b)所示。奇数场和偶数场图像镶嵌在一起，由于人眼的视觉暂留特性，看到的是一幅完整的图像，如图1-8(c)所示。
采用隔行扫描，如果每秒传送25幅图像，则每秒扫描50场，即帧频(fz)为25Hz，场频为50Hz。由于人眼每秒依次看到50幅画面，不会有闪烁的感觉。
隔行扫描的关键是保证奇数场和偶数场的扫描线相互镶嵌，否则将出现并行现象，降低图像清晰度。要保证隔行扫描准确，每帧扫描行数应为奇数。我国电视标准规定:每帧为625行，一场要扫312.5行。这就要求奇数场扫描正程结束于最后一行的半行，使偶数场扫描正程起始于屏幕最上边的中央处，从而保证相邻两场的扫描线不重合。其他参数规定如下:
行周期:TH=64μs; 行频:fH=15625Hz;
行正程时间:THs=52μs; 行逆程时间:THr=12μs;
场周期:TV=20ms; 场频:fV=50Hz;
图1-8 隔行扫描示意图
场正程时间:TVs=18.4ms; 场逆程时间:TVr=1.6ms;
每帧总行数:625行; 每场行数:312.5行;
每场正程:占287.5行; 每场逆程:占25行。
2.黑白全电视信号
黑白全电视信号包括图像信号、复合同步信号和复合消隐信号，其中，图像信号反映了电视系统所传送的图像信息，在行、场扫描正程期间传送;复合同步信号和复合消隐信号是电视系统传送的辅助信息，在行、场扫描逆程期间传送。
复合同步信号的作用是使电视机重现图像与电视台发送图像保持严格同步，复合消隐信号则用于消除行、场逆程期间的回扫线。
黑白全电视信号的组成如图1-9所示。
a.图像信号
图像信号是全电视信号的主体，是通过电子束扫描，由摄像管把光像中明暗不同的像素分布转变成按时间顺序排列的电信号。图像信号有正、负极性之分，若像素越亮、信号电平越高，称为正极性图像信号;反之，若像素越暗、信号电平越高，称为负极性图像信号。图1-10是6级灰度负极性图像信号波形图。图像信号的电平范围为12.5%～75%。
图像信号具有单极性和相关性的特点。
图像信号总是在零值以上或零值以下的一定电平范围内变化，它不会同时跨越零值上下两个区域，这称为单极性。图像信号总有一定的直流分量，它决定了图像的背景亮度。在传输中如果丢失了图像信号的直流分量，应采取措施把它恢复过来。
对于活动图像，虽然每帧画面的内容是不同的，但由于电子束的行、场扫描是以较快的频率按周期变化的，因而相邻两行、两场信号差别很小，具有很强的相关性。对于特定的静止图像，图像信号则具有周期性的特点。
b.复合消隐信号
复合消隐信号包括行消隐信号和场消隐信号。行消隐信号出现在行扫描逆程期间，用来消除行回扫线;场消隐信号出现在场扫描逆程期间，用来消除场回扫线。
图1-9 黑白全电视信号的组成
图1-10 图像信号波
复合消隐信号的电平值为75%，相当于图像信号黑电平。行消隐脉宽为12μs，周期为64μs;场消隐脉宽为1.6ms，周期为20ms。复合消隐信号的电压波形如图1-11所示。
c.复合同步信号
复合同步信号包括行同步脉冲、场同步脉冲、开槽脉冲和前后均衡脉冲。
(1)电视扫描的同步
要正确地重现发送端的图像，接收端与发送端的扫描必须同步。所谓同步是指接收端与发送端的扫描点保持一一对应的几何位置，它要求收、发两端的电子束扫描必须同频、同相。
当收、发两端的电子束扫描不同步时，重现图像就不稳定或无法收看，如果接收端与发送端的行扫描频率不一致时，就会出现行不同步的故障。当接收端行频偏高时，在屏幕上形成向右下方倾斜的消隐黑条如图1-12(a)所示;反之，当接收端行频偏低时，在屏幕上将出现向右上方倾斜的消隐黑条如图1-12(b)所示。
当接收端与发送端的场扫描频率不一致时，重现图像就会出现场不同步的故障。例如传送如图1-13(a)所示的图像，当接收端场频偏高时，将出现图像及场消隐带逐场依次下移的现象，如图1-13(b)所示;当接收端场频偏低时，将出现图像及场消隐带逐场依次上移的现象，如图1-13(c)所示。
图1-11 复合消隐信号的电压波形
图1-12 行不同步的现象
图1-13 行不同步的现象
当接收端与发送端的扫描频率相同而相位不同时，重现图像将出现被分割的现象。例如传送如图1-13(a)所示的图像，当行扫描相位不同时，重现图像将出现左右被分割的情形，如图1-14(a)所示;当场扫描相位不同时，重现图像将出现上下被分割的情形，如图1-14(b)所示。
(2)行、场同步信号
行、场同步信号是在行、场消隐期间传送的脉冲信号，用于保证电视机的行、场扫描与发送端同步。行、场同步信号的电平高于消隐电平25%，占据电视信号75%～100%的位置。行同步脉冲的宽度为4.7μs，其脉冲前沿滞后行消隐脉冲前沿约为1.3μs;场同步脉冲的宽度为160μs(2.5个行周期)，其脉冲前沿滞后场消隐脉冲前沿约为160μs;行、场同步信号如图1-15所示。
(3)开槽脉冲与均衡脉冲
由于场同步脉冲的宽度为2.5个行周期，如果不采取措施，会在此期间丢失2～3个行同步脉冲，造成场扫描正程开始部分的行同步紊乱，引起图像上部扭曲。为了避免上述情况发生，在场同步脉冲上开了5个小槽，称为开槽脉冲。开槽脉冲的宽度与行同步脉冲的宽度相同，它的后沿与行同步脉冲前沿相位一致。这样，在场同步期间，槽脉冲起行同步脉冲的作用，可保证行同步信号的连续性。
图1-14 扫描相位不正确的现象
图1-15 行、场同步信号的波形
为了保证隔行扫描中偶数场正好镶嵌在奇数场之间，不出现并行现象，在场同步脉冲前、后还各加上五个窄脉冲，分别称为前、后均衡脉冲。均衡脉冲的间隔为行周期的一半，脉宽为2.35μs，其作用是使奇数场和偶数场的复合同步信号与通过积分电路而得到的场同步信号波形一致，从而保证了隔行扫描的准确性。开槽脉冲与前、后均衡脉冲如图1-16所示。
3.电视信号的发送与接收
a.电视发送
电视发送系统由摄像机、图像发射机、话筒、音频放大器、伴音发射机等组成，如图1-17所示。
电视发送过程如下:摄像机将拍摄下来的景物转换成与景物亮度成比例的电信号，称为视频信号或图像信号，经过放大与加工处理，在图像发射机中以调幅方式，用视频信号对超高频载波进行调制，形成超高频调幅波。同时，话筒将声音转变为电信号，称为音频信号或伴音信号，放大后送入伴音发射机，以调频方式对另一个频率更高的超高频载波进行调制，形成超高频调频波。伴音高频调频信号和图像高频调幅信号汇合后通过天线向空中发射电磁波或通过有线电缆或光缆传送出去。
(1)图像信号的调制
图像信号是由摄像机拍摄的图像转变而成的，它包含0～6MHz之间各种频率的信号，必须使用高频载频进行调制，形成高频已调信号才能通过天线有效地发射和接收。由于中频调制发射方式具有残留边带可在中频实施，不同频道可以共享残留滤波器，中频调制式发射机的激励器可以通用，以及有利于设备的系列化和标准化等优点，因而在电视系统中得到采用。
图1-16 开槽脉冲与前、后均衡脉冲
图1-17 电视发送系统
在中频调制发射方式中，图像信号与38MHz载频进行幅度调制产生普通调幅波，经残留边带滤波后得到残留边带调幅信号，再和本机高频振荡信号混频，得到某个频道上的高频图像调幅信号，再经过图像功率放大后送到发送天线发送(或有线传送)。
(2)伴音信号的调制
人耳能听到声音信号的频率范围一般为20Hz～20kHz。伴音信号由于自身频带很窄，采用调频制传送后，得到的已调信号的带宽和图像信号相比是微不足道的，加上采用了与图像信号不同的调制方式，能减少图像信号与伴音信号之间的相互干扰，使伴音信号具有更强的抗干扰能力以获得良好的音质。我国电视标准规定的音频信号的频率范围为20Hz～15kHz，采用调频方式传送，最大频偏Δf为50kHz，则音频调频信号的带宽为B= 2×(50+15)kHz=130kHz。
具体产生过程是:从电视信号制作系统送来的伴音信号，经过伴音放大后，与6.5MHz载频进行频率调制产生调频波，再与38MHz载波进行混频，得到31.5MHz调频波，最后再与本振信号混频得到某个频道上的高频伴音信号(电视频道的伴音载频始终比图像载频高6.5MHz)，再送到发送天线发送(或有线传送)。
(3)残留边带发送
图像信号的频率范围为0～6MHz，与38MHz图像中频载波进行调幅后，形成的调幅波要占用l2MHz的带宽，直接传送这样宽的频带信号，会使空间频段利用率降低，在同样的频率范围内可设置的电视台数目会减少。同时也会给发射机及发射天线的设计制造带来许多困难，使电视接收机复杂化。
图像信号调幅后形成的上、下两个边带，包含有相同的视频信号，如果在发射的时候设法抑制掉其中的一个边带，仍可完成传送图像信息的任务，这种传送方式称为单边带传送方式。从理论上分析，单边带调制能使信号频带降低一半从而提高了波段利用效率。但它要求电视机必须采用恢复载波的同步解调方式，这将增加电视机的复杂性和成本。而且由于图像信号频带是从零频(直流)开始的，要从已调的调幅信号频谱中保留载频和一个边带，在技术上也较难制造出具有如此陡峭特性的单边带滤波器。
因此，在目前的电视系统中，采用了残留边带调制方式传输图像信号。具体的实现方法是:先用图像载频fp(fP=38MHz)对图像信号进行调幅，产生AM信号，然后通过一个具有残留边带特性的滤波器保留载频fp和整个上边带，而滤除下边带中的阴影部分，如图1-18所示。伴音调频信号的频带宽度与图像调幅信号相比要小得多，所以，伴音调频信号仍然采用双边带传送。我国电视标准规定，每个频道的伴音载频比图像载频高6.5MHz。
图1-18 残留边带调制前后的信号频谱
(4)电视频道的划分
高频图像信号和高频伴音信号占有一个很宽的频带，这个频带称为频道。我国规定一个频道的频带宽度为8MHz。在电视广播中，每个电台节目必须单独使用一个频道。我国目前频道划分情况(按照GB4877—1985)是:从47～230MHz甚高频波段(VHF)安排了12个频道，从470～958MHz特高频波段(UHF)安排了56个频道，总共68个频道，其频率划分见表1-1。
表1-1 我国电视频段划分
续表
续表
顺便指出，仅在有线电视网CATV中使用的增补频道，是一种有效增加有线电视频道数量的方法。在第5频道和第6频道之间还有75MHz的频率空间，可以插入Z1～Z7(对应频率范围为111～167MHz)，共7个增补频道;在第12频道和第13频道之间还有247MHz的频率空间，可以插入Z8～Z38(对应频率范围为223～463MHz)，共31个增补频道。
b.电视信号的接收
在电视广播发送端，图像和伴音是由两部独立的发射机同时发送的，但由于两者的载频比较接近，所以，共用一副发送天线来传送。在接收端，为了经济起见，图像信号和伴音信号共用一个接收机来接收。电视接收机有黑白电视机和彩色电视机两种，彩色电视机接收电视信号的过程将在本模块项目2中介绍。黑白电视机接收电视信号的过程是用天线接收高频电磁波信号，然后经过放大、混频、解调等还原处理，最后由显像管完成电光转换，在屏幕上重现原景物，并由扬声器将伴音信号还原成声音。
黑白电视机组成方框图如图1-19所示。
图1-19 黑白电视机组成方框图
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