广播电视系统.ppt

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1、datasheetmax,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,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。,3.1 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

2、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。,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,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1015倍的变

3、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。,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。,图32 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

4、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(Charge Coupled Devices)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。,CCD的构成。,图33 CCD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

5、类型。帧转移（Frame Transfer FT)行转移（Line Transfer，LT)、行间转移（Interline Transfer，IT)帧行间转移（Frame Interline Transfer FIT).。,图34(a)一个面阵CCD的结构,光敏区,存储区,图35 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

6、元，在行正程期间由水移位寄存器逐像素读出信号。,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,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,图36 CCD电荷转移原理图,三相时钟驱动信号（寻址转移信号）,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

7、会引起动态分辨率降低。,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。,图39 四相CCD的隔行扫描,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，Green Field Checker Sequence,(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,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

8、行,第n行,延迟后的n-1行,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,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32)。,图314 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(Flaying Spot Scanner)。其组成和工作原理如图314所示。,3.2.3 录放像机

9、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（Video Tape Recording)(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（Laser Disk)视频压缩视盘（Video Compact Disk)数字视盘（Digital Video Disk),图315 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

10、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,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

11、斑或色斑。,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。,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,3.4 电视信号的形成

12、,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。,(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316 帧同步器工作原理,图317 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。

13、,(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。,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（48223MHz）和超高频（UHF）段（470960MHz）(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。,图像信号的残留边带调幅。,图318 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

14、易解调,图319 接收机中放幅频特性,图象中频38MHz,50%,最小衰减20dB,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,伴音信号的调频。电视伴音信号的频率范围在50Hz15kHz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(31),图321 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

15、施，在解调时在去加重的办法加以补偿。,图322 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。,92167MHz留给调频广播和无线电通信,VHF,566606MHz留给调频广播和无线电通信,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

16、联盟ITU（International Telemunication Union)规定，卫星广播下行频段如表3-2。,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，,频道带宽为19.18MHz,(2)调制方式。FMFM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。PCMFDMFM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

17、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。,MAC方式。MAC（Multiplexed Analog Component)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34 几种MAC制的性能指标,(3)卫星电视信号的能量扩散。,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

18、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,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323所示。,图323 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

19、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50s。图像发射机与伴音发射机的功率比:101151,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:,(32),N-层数S-两层振子的中心间距，一般为(0.850.95

20、)-频道中心波长,图324 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,(33),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,(34),(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

21、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。,2.电视信号场强的估算 接收点场强可用下式来估算:,(35),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）,表35 图像质量与接收场强关系表,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

22、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。,图325 微波接力信道的构成,图 326微波接力站结构(a)端站(b)中继站,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。,图32

23、7 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,图328 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，不容易对发射造成谐波干扰。中放增益高复杂，成本高,图329 二次变频双通道差转机框图(a),(3)二次变频双通道差转机。,互调失真小分开处理频带变窄，易于处理对功放要求降低结构复杂,图330 二次变频双通道差转机框图(b),图331 卫星电视广播系统组成,位于赤道上空35800km,包括主发射站和移动发射站,家庭接收地面差转有线网络集体接收,控制卫星,卫星电视广播 卫星电视广播具有覆盖面更大、转播电视节目质量

24、高、费用低、适应性强、效率高等优点。,图332 主发控站简化框图,(1)卫星地面站。,(2)卫星星体。主要由转发器、天线、星载电源系统、控制系统（定位控制和热控制）等组成。转发器是接收上行频率信号，经变换后在变成下行频率信号发向地面。主要有直接变换式和中频变换式。,图333 直接变换式转发器框图,(3)地面接收网。转播网：用大口径天线和专业用高灵敏卫星广播接收机，把接收信号进行处理后，作为地面转播网络的调制信号。集体接受：把接收信号变成超短波射频电视信号。个体接收,3.7 电视信号的接收,3.7.1 地面广播电视信号的接收 地面广播电视信号的接收非常简单,用普通的家用广播电视接收机即可实现。普通的广播电视接收机通常都具备兼容性,可以接收彩色或黑白的电视节目。,3.7.2 卫星广播电视信号的接收 卫星广播电视信号的接收需要专门的卫星电视接收机,并配上普通电视接收机或监视器才能完成。卫星电视广播的地面接收部分,不论采用何种接收形式,所用的卫星电视接收机的组成都一样,包括接收天线、室外单元和室内单元三部分。,图334 卫星电视接收机的组成方式(a)一次变频型,图335 卫星电视接收机的组成方式(b)二次变频型,本章作业3，6，7，8，12，13，14,