第二章模拟信号的形成和传输.docx
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第二章模拟信号的形成和传输
课时5――6
图像分解与光电转换
【教学目标】
1．知识目标：
了解电视信号形成和传播的基本过程；理解像素、图像的分解与光电转换、模拟信号和数字信号等概念。
2．能力目标：
能运用所学知识求解答相关问题，为以后学习视频信号等知识奠定基础，培养学生的形象思维能力。
3．情感目标：
培养学生的学习兴趣和良好的职业道德。
【教学重点】图像的分解与光电转换、模拟信号和数字信号
【教学难点】对光电转换过程的理解。
【课时安排】2课时。
【教学过程】
第一节 图像分解与光电转换（2课时）
首先来了解活动景象的信息传输过程。
如图所示，直观展示了活动景象信息传输的三个重要环节：
电视信号的形成、电视信号的传播、电视信号的终端显示。
一、图像的分解与像素
像素：
电视系统分解和综合图像的最小单元。
顺序逐行扫描传输电视图像产生“中”字的过程及相应信号如图所示。
（a）需要分解后的图像 （b）投映至摄像管上的图像
二、光电转换和顺序扫描
1．光电转换：
用摄像管把图像的光信号转变成相应的电信号。
电视方式传送图像采用的是将一幅图像分解成若干个像素按一定顺序逐点转换成电信号传送的。
2．扫描：
电视系统中通过电子束有规律的运动，实现电视图像的分解与还原，称电子束有规律的运动为扫描。
3．图像信号：
利用电子束的扫描进行光电转换，得到反映像素明暗变化的电压信号。
三、模拟信号
高电平表示图像暗的部分，低电平表示的是图像亮的部分。
如果图像的明暗变化不仅仅是黑白两种，而是由白逐渐过渡到灰、深灰、黑等各种层次，则电压的变化也就会由低逐渐升高，再逐渐降低而出现各种幅度变化，而且是连续的。
我们把这种用电压波形模拟图像亮度信息变化的信号称为“模拟信号”。
四、数字信号
1．数字信号
如果传输过程中不是用这种连续的电压变化，而是用“0”和“1”以及由它们所组成的数字串来传送信息，则称为“数字信号”。
数字信号这种方式同样可以用来传输图像中各点像素的亮度信息和空间位置。
2．数字信号可用反映高低电平变化的一组二进制代码表示
现仍以最简单的“中”字为例对这种传输方式作非常粗略的介绍。
如果用“1”表示高电平，用“0”表示低电平。
则图（c）中第1行的电压变化可转化为000001100000；第2行的电压变化同样可转化为000001100000；第3行的电压变化可转化为001111111100；第4行的电压变化可转化为001101101100；第5行……。
这样可得到由“0”和“1”组成的图像：
第1行为000001100000；
第2行为000001100000；
第3行为001111111100；
第4行为001101101100；
第5行为001101101100；
第6行为001111111100；
第7行为000001100000；
第8行为000001100000；
第9行为000001100000。
如果将这些由“0”和“1”构成的信号通过信道传送到接收端，又将“1”还原成高电平，将“0”还原成低电平，并以此为准控制显像管，似然可以在荧光屏上得到这个“中”字。
练习：
2-1、2-2。
小结：
在本次课中分析了电视信号形成和传播的基本过程；着重研究了像素、图像的分解与光电转换、模拟信号和数字信号等概念。
希望同学们认真完成课后作业，将学过的知识灵活加以运用。
课时7――8
第二节电子扫描与图像清晰度
【教学目标】
1．知识目标：
理解逐行扫描、帧频、帧周期、行频、行周期、隔行扫描、场频、场周期、图像分辨率和清晰度概念；了解电视图像幅型比与扫描格式。
2．能力目标：
能运用所学知识求解答相关问题，为以后学习视频信号等知识奠定基础，培养学生的形象和逻辑思维能力。
3．情感目标：
培养学生的学习兴趣和创新意识。
【教学重点】
逐行扫描、帧频、帧周期、行频、行周期；图像分辨率和清晰度。
【教学难点】
对帧频、帧周期、行频、行周期的理解。
【课时安排】
2课时
【教学过程】
一、电子扫描的扫描方式
1．逐行扫描
电子束水平方向的运动称为行扫描，电子束垂直方向的运动称为场扫描。
电子束有规律的沿画面自左至右、自上而下一行行移动称为逐行扫描。
电子束逐行扫描如图所示。
每帧行数625；每场行数为625/2＝312.5。
行频
，行周期
。
2．隔行扫描
理论分析和实践表明，满足人眼的连续感、不闪烁感和清晰度要求，采用逐行扫描方式时，信号带宽太宽。
实际中均采用隔行扫描方式。
隔行扫描是把一帧图像分成两场进行扫描，一场扫1、3、5、……奇数行，称奇数场；下一场扫2、4、6、……偶数行，称偶数场。
如此反复。
隔行扫描重现图像必须保证两场光栅正确镶嵌如图所示。
二、电视图像幅型比与扫描格式
1．电视图像幅型比
是指由电子扫描所形成的光栅或电视图像的宽、高比例。
传统模拟电视的幅型比为4：
3，近期开播的高清晰度电视的幅型比为16：
9。
2．扫描格式
通常用图像水平方向和垂直方向有效像素的乘积来表示。
我国目前用得比较多的几种图像格式见表。
我国目前常用的几种图像格式
分类
图像格式
（扫描格式）
电子扫描
总行数
每行含
有效像素
每帧图像含
有效行数
幅型比
（宽、高比）
等效
像数（万）
模拟标清电视
766×575
625
766
575
4：
3
44
数字标请电视
720×576
625
720
576
4：
3
41.5
数字增强电视
1280×720
750
1280
720
16：
9
92.2
数字高清电视
1920×1080
1125
1920
1080
16：
9
207.4
三、图像分辨力与电视图像清晰度
图像分辨力
是指电视系统本身分解像素的能力，用水平方向和垂直方向的像素点阵表示，不受主观感觉的影响。
只有当信号源的分辨力与接收终端成像器件固有分辨力完全相同，而且信号在处理和传输全过程中都不产生失真的情况下，才能在终端显示屏上显示出所有的像素。
一般情况下，我们在电视机显示屏上能够看到的电视画面清晰度会低于其系统分辨力。
模拟电视系统：
虽然规定扫描总行数为625行，但其中只有正程的575行能产生图像，表中称为每帧图像所含有效行数；按照4:
3的幅型比，则水平方向的图像分解力应为575×4/3=766个像素；所以传统模拟电视系统的图像分辨力可以认为是766×575，这也就是他的图像格式。
数字标准清晰度电视的图像格式：
720×576，与模拟电视非常接近。
但是，我们不能将575线或576线作为标准清晰度电视机的清晰度要求，实际上是达不到的，规定其电视图像清晰度应≥450电视线。
高清晰度电视机：
电视图像清晰度≥720电视线
课时9――10
第三节视频信号
【教学目标】
1．知识目标：
理解视频信号、图像信号、行场消隐信号、行场同步信号的概念以及图像信号的幅度与波形的关系。
2．能力目标：
能运用所学知识求解答相关问题，为以后学习高频电视信号等知识奠定基础，培养学生的形象思维能力。
3．情感目标：
培养学生的学习兴趣和创新意识。
【教学重点】
图像信号、行场消隐信号、行场同步信号。
【教学难点】
对视频信号波形的识读、行同步与行消隐信号的异同。
【课时安排】
2课时
【教学过程】
视频信号又称全电视信号，黑白全电视信号包括图像信号、复合消隐信号、复合同步信号。
全电视信号波形如图所示。
一、图像信号
1．图像信号的位置
图像信号出现在行正程期间。
含有行同步、行消隐信号的视频信号波形及相互关系如图所示。
图中
为行正程时间
。
2．图像信号的幅度与波形
图像信号是电平高低反应图像亮暗的电信号。
特点：
具有单极性和脉冲性。
3．图像信号的频率
图像信号及对应的负极性波形如图，分析可知：
图像信号的频率范围为
。
二、消隐信号
作用：
提供电子束消隐宽度、视频信号基准电平的信息。
包括行消隐脉冲和场消隐脉冲。
1．行消隐脉冲：
宽度
，每行一个。
2．场消隐脉冲：
宽度25H（H指一行）即
，每场一个。
三、同步信号
作用：
提供扫描频率和相位信息的信号。
包括行同步信号和场同步信号。
1．行同步信号：
提供行扫描频率和相位信息，前沿表征行逆程开始的时刻。
宽度
，每行一个。
2．场同步信号：
提供场扫描频率和相位信息，前沿表征场逆程开始的时刻。
宽度
，每场一个。
行同步、场同步信号的电平范围都是位于比黑还黑的电平范围内，即以消隐电平为基准位于与图像信号相反的电平范围，幅度为0.3V。
练习：
2-6、2-7、2-9
小结：
在本次课中着重研究了视频信号、图像信号、行场消隐信号、行场同步信号等概念。
希望同学们认真完成课后作业，将学过的知识灵活加以运用。
作业：
2-8、2-10
课时11――12
第四节高频电视信号的形成及传输
【教学目标】
1．知识目标：
了解高频电视信号的概念、电视频道的划分及多种传输方式；理解视频电视信号的频谱和调幅以及残留边带发送、伴音信号的调频及频谱。
2．能力目标：
能运用所学知识解答与彩电相关的问题，为以后学习彩色电视信号等专业知识形成较坚实的认知能力、形象思维和分析解决问题能力。
3．情感目标：
激发学生浓厚的学习兴趣。
【教学重点】
视频电视信号的调幅、伴音信号的调频。
【教学难点】
对视频电视信号的频谱、伴音信号的调频及频谱的理解。
【课时安排】
2课时
【教学过程】
为远距离传输，需将全电视信号变换成高频电视信号，即将全电视信号调制到50~1000MHz的射频载波上，称为射频电视信号，通过天线变换成电磁波辐射。
一、视频电视信号的调制与残留边带发送
1．视频信号的调幅
特点：
振幅变换反应调制信号，可用包络检波器解调。
已调信号高频振荡相位连续，无突变点。
视频信号高频调幅波的形成及波形如图所示。
2．视频调幅波的频谱
一般调幅波的频谱和占有带宽如图所示。
3．残留边带调幅发送
为减小传输射频信号的带宽，电视信号均采用残留边带方式发送，我国每频道电视信号频谱如图所示。
二、伴音信号的调制
电视伴音信号的音频范围为20Hz~15kHz。
采用调频方式传输。
即高频载波的频率随正弦波F的振幅而变。
调频波波形如图所示。
我国电视制式规定，伴音载频比图像载频高6.5MHz，带宽为±0.25MHz。
三、电视频道的划分及多种传输方式
1．无线电视广播
我国正规电视频道（DS1～DS68）频谱分配如图所示。
2．有线电视广播
有线电视方式即通过电缆或光缆线路采用闭路方式传输电视信号。
国家广电总局对有线电视广播系统的波段、功能做了新的规定，新的频谱分配如图所示。
有线电视传输系统的波段划分
波段
频率范围（MHz）
业务内容
R
5~65
上行业务
X
65~87
过渡带
FM
87~108
广播业务
A
110~1000
模拟电视、数字电视、数据业务
3．卫星电视广播
用于远距离传输高频电视信号。
练习：
1．高频电视信号？
2．画出视频调幅波。
3．画出音频调频波。
小结：
在本次课中着重研究了视频信号的调幅、伴音信号的调频等知识。
希望同学们在准确理解这些知识的基础上，结合课后作业，将学过的知识灵活加以运用。
课时13――14
第五节 彩色电视信号
【教学目标】
1．知识目标：
了解彩色图像的分解和三基色信号的产生、兼容性和逆兼容性；理解亮度信号、色差信号的概念及形成过程。
2．能力目标：
能运用所学知识解答与彩电相关的问题，为以后学习彩色电视技术形成较强的认知能力、形象思维和分析解决问题能力。
3．情感目标：
培养学生的创新思维和良好的学习习惯。
【教学重点】
亮度信号、色差信号。
【教学难点】
对亮度信号、色差信号形成过程的理解。
【课时安排】
2课时
【教学过程】
一、彩色图像的分解和三基色电信号的产生
根据三基色原理，彩色图像的分解和三基色信号的产生过程如图所示。
二、兼容性和逆兼容性
兼容：
指黑白电视机能收看彩色电视节目，呈现出的是黑白图像。
逆兼容：
彩色电视机能收看黑白电视节目，呈现出的也是黑白图像。
三、亮度信号和色差信号
彩色电视系统的传输信号不能直接采用R、G、B信号，为兼容选为亮度信号和色差信号。
1．亮度信号
根据亮度方程，将摄像机输出的三基色信号电压，按亮度方程：
用矩阵电路可得到亮度信号电压。
亮度信号电阻矩阵电路如图所示。
电路中要求，选择：
2．色差信号
色差信号与三基色信号的关系为：
如用电压形式表示为：
采用矩阵电路可得到
、
信号电压。
色差信号
不必传送，按关系：
用矩阵电路得到。
练习：
1．简述彩色图像的分解和三基色电信号的产生？
2．写出亮度方程。
3．写出三基色信号的关系式。
2-12
小结：
在本次课中着重研究了亮度信号、色差信号等知识。
希望同学们在准确理解这些知识的基础上，结合课后作业，灵活运用所学的知识解决有关问题。
作业：
2-13
课时15――16
第六节色差信号的频带压缩与频谱交错
【教学目标】
1．知识目标：
了解大面积着色原理与色差信号的频带压缩；理解亮度信号的频谱结构、频谱间置与色副载波的选择。
2．能力目标：
能运用所学知识解答有关的问题，为以后学习彩色电视技术形成较强的认知能力、形象思维和分析解决问题能力。
3．情感目标：
培养学生的良好的学习习惯和自学能力。
【教学重点】
亮度信号的频谱结构、频谱间置与色副载波的选择。
【教学难点】
对亮度信号的频谱结构和频谱间置的理解。
【课时安排】
2课时
【教学过程】
一、大面积着色原理与色差信号的频带压缩
为兼容，要求在0~6MHz带宽范围内把亮度和色度信号都传送出去。
考虑重现图像的清晰度，亮度信号带宽必须采用0~6MHz。
根据人眼对彩色细节分辩力低的特点，可将色差信号频带压缩至0~1.3MHz。
因此，彩色电视图像中低频部分（表现为大面积），既有亮度信号也有色度信号；高频部分（图像细节），只有亮度信号没有色度信号，即没有彩色，称这种处理为大面积着色原理。
它既节约了带宽又不影响重现图像的质量。
二、亮度信号的频谱
我国电视标准，亮度信号的带宽为0~6MHz。
矩形脉冲波的频谱如图所示。
典型图像信号及其频谱如图所示。
三、频谱间置与色副载波频率的选择
1．频谱间置
色差信号的频谱分布规律与亮度信号相同，只是带宽窄，为0~1.3MHz。
为了使它和亮度信号的主谱线错开，选择一个副载波
，其频率足够高且数值合适，将色差信号对它调幅，使调制后色度信号的频谱搬到0~6MHz的高频端，并插到亮度信号谱线群间，实现频谱交错或频谱间置，故此称为频谱交错原理。
2．副载频选择
在上述原则下，对应我国的彩电制式，其色副载波频率可选为：
这时，色度与亮度信号频谱间置情况如图所示。
由图可见，它们的主谱线间相差半行频，称为半行频间置。
彩色电视发射的电视信号频谱图所示。
课时17――18
第七节 正交平衡调幅制（NTSC制）
【教学目标】
1．知识目标：
理解平衡调幅、正交平衡调幅、色度信号的压缩和NTSC制的主要性能。
2．能力目标：
能运用所学知识解答有关的问题，为以后学习彩色电视技术形成较强的认知能力、形象思维和分析解决问题能力。
【教学重点】
正交平衡调幅过程。
【教学难点】
对正交平衡调幅的理解。
【课时安排】
2课时
【教学过程】
一、平衡调幅
平衡调幅是抑制载波的调幅方式。
表示式分别为：
调制信号
载频信号
一般调幅信号
平衡调幅信号
平衡调幅波的波形图如图所示。
平衡调幅波的特点：
（1）不含载频分量。
（2）幅值正比与调制信号振幅的绝对值。
（3）调制信号为正，平衡调幅波与载波同相；调制信号为负，平衡调幅波与载波反相。
（4）平衡调幅波包络不再是原来的调制信号，只能采用同步检波方式。
（5）只能在原载波的正峰点对平衡调幅波取样，才能得到原来的调制信号。
二、正交平衡调幅
为使一个载频携带两个色度信号信息，采用了将
信号对
副载波平衡调幅，得到
色度分量；（R–Y）信号对
副载波平衡调幅，得到
色度分量，两色度分量相加后为正交平衡调幅信号。
两色度分量相位正交，带宽都为
。
可用同步检波方式解调、分开。
两色度分量信号相加后，得到色度信号F为：
两色差信号正交平衡调幅处理的过程及合成矢量之间的相位关系见图所示。
合成矢量的长度|F|和相位
为：
可以证明，该矢量的长度反应色饱和度，相位反应色调。
采用正交平衡调幅方式的彩色电视系统称为NTSC制，NTSC制的主要缺点是当传输过程中有相位失真时，将造成还原图像的色调失真。
三、NTSC制的主要性能
优点：
色度信号处理过程简单；亮、色信号频谱最大间距错开，兼容性好。
缺点：
由于相位失真造成色调失真，因此对传输条件要求苛刻，要求传输过程中引起的相位失真小于
。
为了克服NTSC制的缺点，研制出了PAL制和SECAM制。
课时19――20
第八节PAL 制及NTSC/PAL编码器
【教学目标】
1．知识目标：
理解PAL制特点、色同步信号的作用，能简述NTSC/PAL编码器的工作过程。
2．能力目标：
能运用所学知识解答有关问题，为以后学习彩色电视技术形成较强的认知能力、形象思维和分析解决问题能力。
3．情感目标：
培养学生的学习兴趣和良好的学习习惯。
【教学重点】
PAL制特点、色同步信号的作用。
【教学难点】
对色同步信号作用的理解。
【课时安排】
2课时
【教学过程】
一、PAL制特点
1．PAL制特点
编码时U信号不变，V信号逐行倒相。
假如第n行传输的色度信号为
第n+1行传输的色度信号为
第n+2行又为
如此反复。
PAL色度信号可写成：
V信号不倒相行称为NTSC行（或N行），V信号倒相行称为PAL行（或P行）。
对紫色其N行和P行的矢量关系及标准彩条信号的PAL色度矢量图如图所示。
2．V信号的倒相复原
解调时，必须把倒相行V信号的相位倒回去，即把
相位行的V信号通过电路变换成
相位，称为倒相复原。
二、色同步信号
1．PAL色同步信号的作用
（1）调制时，给接收端传递基准副载波频率和相位的信息，供接收端重新恢复解调副载波。
（2）调制时，给接收端传递V信号倒相次序的信息，供接收端识别出V信号倒相次序。
2．PAL色同步信号的特点
位置：
如图所示。
在行消隐后肩，距行同步前沿
。
波形：
个副载波周期的副载波正弦振荡。
宽度：
幅度：
与行同步脉冲幅度相同，
。
3．PAL色同步信号的产生
PAL色同步矢量如图所示。
三、NTSC/PAL编码器简介
前面所述的三基色信号R、G、B；亮度信号Y、色差信号R-Y、B-Y；以及Y、U、V信号都称为分量信号。
亮度信号、色度信号和同步信号的合成称为复合信号。
形成复合信号的处理过程称为编码，完成编码的电路称为编码器。
复合信号又称为彩色全电视信号，可以用FBAS表示，其中的F代表色度信号，B代表亮度信号，A代表复合消隐信号，S代表复合同步信号和色同步信号。
小结：
在本次课中重点研究了PAL制特点与V信号的倒相复原、PAL制色副载波频率的选择、PAL色同步信号和PAL编码器原理等知识。
希望同学们在准确理解这些知识的基础上，结合课后作业，将学过的知识灵活加以运用。
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