第二章--电视传像基本原理与电视信号

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1、第2章 电视传像基本原理与电视信号图2-1 无线电视广播系统原理方框图 本章讨论电视传送系统中用到的光电、电光变换、电子扫描和全电视信号。 2.1 电视传像基本原理电视传像基本原理 一、像素的概念和顺序传像原理一、像素的概念和顺序传像原理 1. 像素像素：就是组成图像的元素，即基本单位。利用人眼分辨力有限的特性，将一幅电视图像分解为许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。 2 . 顺序传像原理顺序传像原理： 同时传像：每个像素要占用一个传输通道，技术上不可行。 顺序传像：利用人眼的视觉惰性，将活动图像分解为一连串的静止图像，静止图像再分解为像素，只要在足够短的时间

2、里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息（指黑白图像）进行光电转换，接收端再依次重现相应亮度的像素，就可完成活动图像的传输。图2-2是顺序传像系统的原理图。 要求：传送速度足够快； 转送准确：收、发同步。 图2-2 图像顺序传送原理 二、光电转换与电光转换二、光电转换与电光转换 1. CCD摄像机与光电转换摄像机与光电转换 光电转换过程也就是摄像过程，其工作原理与所使用的摄像材料有关。摄像材料可分为两大类，即摄像管和CCD器件。 摄像管曾有过辉煌的历史，但在二十世纪八十年代之后，以CCD为代表的摄像器件进入实用阶段，这种摄像器件无需电子束的扫描就能实现光电转换，而且在体积、重量、功耗等性能方

3、面都明显优于摄像管。目前，CCD摄像机已逐步取代了摄像管摄像机。下面我们介绍CCD的光电转换原理。 （1 1）CCDCCD的电荷存储功能的电荷存储功能 CCD（Charge Coupled Device）是电荷耦合器件的英文简称。CCD是一种MOS集成电路器件，其单元结构如图2-3 所示。在P型（或N型）半导体硅衬底上有一层很薄的二氧化硅绝缘层，绝缘层上按一定排列方式沉积了一组金属铝电极。 CCD器件具有电荷存储功能。在外界光照射下，CCD中的硅衬底会产生电子空穴对，这时若在铝电极上加一个正电压，它所形成的电场就会穿过二氧化硅层排斥硅衬底中的多数载流子（空穴），并吸引少数载流子（电子）。于是，

4、就在硅和二氧化硅的界面附近得到了一个存储少数载流子（电子）的势阱。铝电极上的电压越大，势阱越深，可存储的电荷量越多，这就是CCD器件的电荷存储功能。 图 2-3 CCD单元的结构及电荷存储原理示意图 （2 2）信号电荷的注入）信号电荷的注入 CCD感光面的光敏材料在受光照时激发出自由电子空穴对，注入到P型衬底。其中，多数载流子空穴被排斥走，少数载流子电子被电场吸引到势阱中，形成电荷包。电荷包中电荷的数量与该处的光照强度成正比，这样就把景物的亮暗变成了电荷包中的电荷多少，完成了光像到电像的转换。 （3） CCD的电荷转移功能的电荷转移功能 CCD器件的电荷转移功能无需电视束扫描，而是在外加时钟脉

5、冲信号的驱动下，利用势阱中的电子有向势阱深处移动的特点完成的。 图2-4表示了一个四相CCD中电荷的转移现象。 在图2-4（a）中，1是2 V， 24是10 V, 所以24下面的势阱很深， 电荷存在里面。 在图2-4(b)中， 2由10 V变为2 V， 2下面的势阱变浅， 所有的电荷转移到3、 4下面的势阱中， 结果如图2-4(c)所示。 在图2-4(d)中， 1由2 V变为10 V， 原来在3、 4下面的势阱中的电荷向右转移分布到3、 4、 1下面的势阱中， 结果如图2-4(e)所示， 这个过程使得24下面的势阱中的电荷转移到了3、 4、 1下面的势阱中。 CCD中的电荷就这样在四相时钟的驱

6、动下向前转移。图 2-4 四相CCD电荷的转移 2 V 10V 10 V 10 V 2 V 10 V(a)1234122 V 102 10 V 10 V 2 V 2 V123412(b)2 V 2 V 10 V 10 V 2 V 2 V123412(c)10 V 2 V 10 V 10 V 210 2 V12341210 V 2 V 10 V 10 V 10 V 2 V123412(d)(e) 2. 显像管与电光转换 电光转换过程也就是显像过程，是在显示装置上完成的，目前用于电光转换的显示器件主要有CRT、LCD、PDP等几种，本章介绍的CRT（Cathode-Ray Tubes，阴极射线管）

7、是一种传统的图像显示器件，它就是我们常说的显像管。下面以黑白CRT显像管为例，介绍其基本结构和工作原理。 （1）基本结构：如图2-5所示。 管体真空玻璃管； 管内电子枪和荧光屏；电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极、阳极等构成。荧光屏的玻璃内侧涂有荧光粉，在电子的轰击下能发光，其发光强度与电子束能量成正比。 管外偏转线圈，可提供偏转磁场，使电子束实现水平和垂直方向的扫描。 图2-5黑白显像管结构示意图 （2）工作原理：工作时，图像信号加在显像管的控制栅极和阴极之间，这时电子束将受到图像信号的调制，即电子束的强弱将随图像信号的大小而变化。 另一方面，在偏转磁场的控制下，电子束将从按从左到

8、右，从上到下的顺序依此扫描整个荧光屏，而且扫描过程与摄像端完全同步。于是，对应于某个特定时刻的图像信号，电子束会撞击在荧光屏的某个特定位置上，而且在这一位置上荧光粉的发光亮度也正比与此时此刻图像信号的大小。 这样一来，就把不同时刻的图像信号大小转换成荧光屏上不同位置的亮度大小，在完成时间-空间转换的同时，实现了电光转换过程，即将一帧时间域的图像信号在屏幕上变成了一幅平面的光学图像。 2.2 电子扫描电子扫描 在顺序传像系统中，构成一幅画面的所有像素在进行光电转换、传输、以及电光转换时都要按照一定的规律进行，实现这一规律的过程就称为扫描。 电视系统中的扫描包含于两个过程之中，即发送端光电转换过程

9、中的扫描和接收端电光转换过程中的扫描。在这两个过程中，扫描规律必须严格一致，即同步。同步有两方面含义，一是同频，即收发两端的扫描速度相同；二是同相，即收发两端的时空对应关系要一致。 电视系统应用的扫描是线性扫描，即扫描轨迹是直线型的，即对每一幅画面来说，扫描自上而下一行一行进行，每一行从左到右进行。扫描完第一幅画面之后再扫描第二幅，如此循环进行。 扫描过程的实现通常使用电子方法。在以前的摄像管摄像机中，扫描由电子束完成；另外，在CRT（阴极射线管）显示器中，扫描也是靠电子束完成的。不过，在目前使用较多的CCD摄像机以及一些新型显示装置中，扫描过程已不再需要电子束的参与，而是靠脉冲电路的控制实现

10、。 一、电子束的偏转一、电子束的偏转 原理：当偏转线圈中通过电流时，会产生磁场，磁场的方向决定于电流方向由右手定则判定；如果电子束穿过磁场，则在磁场里的作用下要发生偏转，其偏转方向由左手定则判定。因此，流过偏转线圈中的电流的幅度和方向，决定了电子束偏转角度的大小和方向。 偏转线圈：如图2-6 所示。 行偏转线圈：产生垂直方向磁场，使电子束水平偏转。 场偏转线圈：产生水平方向磁场，使电子束垂直偏转。图2-6 偏转线圈结构 二、逐行扫描二、逐行扫描 以电子束扫描为例，当线圈中分别流过如图2-6 所示的行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场,在这两个磁场的共同作用下,使电子

11、束作水平与垂直方向的扫描运动。 电子束扫描轨迹的集合称为光栅。逐行扫描中，所有帧的光栅应重合，因此要求帧扫描周期TZ为行扫描周期TV的整数倍。TZ=ZTH，Z为每帧的扫描行数。 电视标准规定： 行逆程系数=THR/TH/=18% 帧逆程系数 =TZR/TZ=8% 在行、帧逆程期间，应利用消隐脉冲截止扫描电子束，使逆程扫描线消失，否则会降低图像质量。 图 2-6 逐行扫描电流和光栅 (a) 行扫描电流； (b) 帧扫描电流； (c) 扫描光栅 tiH(a)t1(b)THFTHt6iZt0t6TZFTZRTZ(c)t1t0t2t3t4THRt5t3t2t4t5t 存在问题：为了使显示端显示的电视图