视频信号采集与图象传输技术的研究----视频信号及其同步分离

admin

本文介绍了黑白全电视信号，由图象信号、复合同步信号和复合消隐信号组合而成，对这三种信号的波形、参数及其作用又分别进行了详细的讨论。在此基础上，又介绍了同步分离电路的组成与原理，同步分离电路主要由抗干扰电路、幅度分离电路、同步放大电路、积分电路、AFC电路组成。要从复合同步信号中把行同步信号和场同步信号分离，可用微分电路得到行同步信号，用积分电路得到场同步信号。
       
        1. 1视频信号的组成电视为了重现图象，必须传送图象信号；为了消去行、场扫描的回扫线，使其不干扰正常的图象，必须传送行、场消隐信号；为了保证扫描的同时，必须传送复合同步信号。为了让这三种信号能用一个通道传送，并在接收端可以方便地将它们分开，必须在发送端按一定规律将这三种信号组合起来，这个合成信号称为黑白全电视信号。黑白全电视信号由图象信号、复合同步信号和复合消隐信号组合而成。
       
        为了使三者互不干扰，并且在接收端能够方便可靠地进行分离，黑白全电视信号按下列方式组成：（1）图象信号安排在行、场扫描的正程，复合消隐和复合同步信号安排在行、场扫描的逆程。
       
        （2）图象信号位于白色和黑色电平之间，复合消隐信号的电平规定比黑色电平稍黑。消隐电平和图象黑色电平之差称为黑色电平提升。图2-1为一行全电
       
        视信号。从中可见，图象信号、行消隐信号、行同步信号三者在时间与幅度上的差别；黑色电平提升量D等于消隐电平与白色电平差值（70％）的0～5％。
       
        （3）复合同步电平比复合消隐电平具有更黑的电平，即“比黑还黑”。这样复合同步信号与图象信号、消隐信号在幅度上有较大的差别，便于在接收端用简单的限幅器（即同步分离级），从全电视信号中分离出复合同步信号。图象信号和复合消隐信号不必要再分开，可以直接送给显象管作为图象信号使用。如图2-2，全电视信号由图象信号、消隐信号和同步信号组成。顺序的规定为：第一个齿脉冲的前沿即同步的前沿又兼为行同步的前沿规定为第一场（奇数场）起始点，扫描行序号从此计起。计到第312.5行第一场结束，第二场开始，直到第625行，完成一帧。25H的场消隐期间（H为一行扫描所需的时间），有17行空闲，可传送特定的测试行信号、台标信号、标准时间、标准频率、业务数据和图文电视等。
         
          综上所述，黑白全电视信号具有三大特征：周期性、单极性和脉冲性。由于电视采用周期性的扫描，所以电视信号具有明显的行、场周期性或准周期性。由于图象亮度只有正值而无负值；所以电视信号是单极性的。电视信号的脉冲性表面为两点：其一，图象信号本身是一系列象素所产生的电脉冲信号组合而成的。其二，复合消隐和复合同步信号都是周期性的脉冲信号[13]。
       
        1. 1. 1图象信号图象信号是携带着一行行、一场场景物信息的电信号，通常它是由摄象管产生的。怎样画出某些特殊图象的信号波形呢？依据有两点：
          （1）摄象管经电子束扫描将一幅图象的亮度分布进行象素分解，使之转变成按逐行逐场时间顺序排列的电信号。
          （2）摄象管某时刻输出的电流信号正比于该时刻电子束所扫描象素的亮度大小。例如电视台每天播发的一幅八条从白到黑宽度相等的垂直条图象，如图2-3（a）所示，其特点是：只有水平方向变化，而无垂直方向变化，所以它是按行周期变化的。按照信号幅度正比于亮度大小的原则画出一行的信号波形如图2-3（b）所示。由于图2-4（a）所示的只有垂直方向变化，而无水平方向变化，显然它是按场周期变化的。采用类似方法画出一场的信号波形如图2-4（b）所示。
       
        由上两例可见，因为图象亮度只有正值而无负值，所以图象信号也是单极性的。黑色的信号电平对应为零，灰色和白色的信号电平都是正值而无负值。
       
        图象信号的极性在电路传送与处理过程中是经常变化的，如电路某处为正极性，经过一次放大倒相后，就变成负极性的了。为了方便起见，有如下规定：若图象越亮，信号电平越高，则称为正极性图象信号。反之若信号电平随着图象亮度的增加而降低，则称为负极性图象信号。上述两例所对应的负极性图象信号分别如图2-3（c）和图2-4（c）所示[14]。
       
        2. 1. 2消隐信号消隐信号在摄象设备中是防止扫描束在逆程检取光电信号，在显象设备中是防止扫描的逆程在屏路上显出光迹、混淆图象。
       
        一般摄象设备的消隐时间小于显象设备的消隐时间。例如广播电视摄象机就利用行脉冲、场脉冲作消隐信号。行脉冲宽7.7微秒，场脉冲宽9行至15行周期，见图2-5，其中H表示一行的周期。广播电视送给接收机的消隐信号比较
         
          长，这是为了保护同步信号，和允许接收机有稍长的逆程时间。行消隐与场消隐组合成一个复合消隐信号，其中行消隐宽12微秒，场消隐宽约25行周期；它们具有一样的电平，见图2-6.上下两列波形的差别在于行场消隐的相对时间（位置）错开半行周期，这是隔行扫描所决定的。由于给显象设备的消隐信号时间宽度比摄象的消隐时间
         
          长，所以接收机屏幕显示的场面比摄象的场面小。
       
        这里场面的意思是对原景范围来说，而不是指屏幕尺寸。在摄象机的寻象器上显示出摄取到的场面，寻象器屏幕上还刻有一个矩形框指示播出的幅面（场面）大小。接收机显象屏幕能显示的最大场面，是由复合消隐信号的时间参数决定的。
       
        从工作时间效率的角度上看，消隐是个消极因素，然而消隐信号能提供固定的基准电平，这对于正确重显亮度层次又是极为重要的，是积极的作用。消隐基准电平是应用钳位技术的前提[15]。
       
        为了避免失真，在调制显象器件的，必须恢复信号的平均电平，消隐电平可以作为一个参考基准。因此，消隐信号对图象的幅面、亮度特性都是有作用的。
       
        1. 1. 3同步信号当同步信号与图象信号分别传送时，同步信号就可以用图2-5所示的脉冲信号，行脉冲、场脉冲各自专线馈送，各不相干。实际上经常把行同步、场同步与复合图象信号混合成为全电视信号，一起传送给接收显象设备。广播电视就必须采用这种方式。同步信号的设计必须考虑它对图象的影响，在显象设备中分离同步信号的方便，使用的可靠。把同步信号挤在消隐期内传送，可以不再降低电视系统的时间利用效率。为了使显象设备能直接利用全电视信号来调制显象，同步信号不应在屏幕上显示出任何光迹。同步信号以脉冲形式加在消隐电平上，它的极性与图象信号极性相反，这意味着同步电平比黑电平“更黑”。同步信号幅度与图象信号幅度之比为三比七，在全电视信号中成为三七开。
       
        复合同步脉冲信号包括行同步信号和场同步信号。行同步信号用来控制行扫描，在发送端每行结束时，发出一个行同步脉冲，接收机收到这个脉冲后，立刻结束一行的扫描而开始回扫。同样，场同步信号用来控制接收机场扫描的回扫。
       
        行、场扫描的逆程期间传送同步信号，这样，同步脉冲就不会在屏幕上显示出来。为了便于在接收端将行同步脉冲与场同步脉冲分离，这两种脉冲的宽度不同。行同步脉冲的宽度是4.7μs，场同步脉冲的宽度2.5T h（Th为行周期，Th=64μs）即为160μs.复合同步信号的波形如图2-7所示。
       
        行同步脉冲叠加在行消隐脉冲上，宽度为4.7 us，脉冲前沿比行消隐脉冲前沿迟后1.5us，形成行消隐前肩；并在行同步之后有一个5.8us的行消隐后肩，消隐后肩可以提供基准的消隐电平。如图2-8所示。一行的起始时刻从行同步的前沿为基准开始计时的，是以行同步前沿时刻开始行扫描电流逆程的。
       
        场同步脉冲叠加在场消隐脉冲上，宽度为2.5H＝160us，其前沿比场消隐前沿迟后2.5H=160us.场同步规定为一场图象信号的起始时刻，控制场扫描逆程开始。如图2-9所示。
       
        由于奇偶场同步脉冲与其紧密相邻的前面的行同步脉冲有间隔为H和H/2之分，会导致奇偶场积分起始电平有差异，使奇偶场时间间隔不同，如图2-10，为保证隔行扫描良好，将宽160us的场消隐前肩上的行同步改为每半行一个宽度为2.35us的5个前均衡脉冲，它们在场同步脉冲前起到缓冲作用，保证隔行扫描光栅精确镶嵌。同时，均衡脉冲的前沿仍可给出行同步信息。为了保持对称性，在场同步脉冲后加入5个后均衡脉冲，参数和前均衡一样[16]。
         
           
          1. 2同步分离电路的组成与原理
          同步分离电路主要由抗干扰电路、幅度分离电路、同步放大电路、积分电路、AFC电路组成。如图2-11所示。其中行扫描自动控制（AFC）电路由分相管、鉴相器、低通滤波器和RC积分电路组成。
       
        1. 2. 1同步分离的原理
          分离电路的作用是：将幅度为75%以上的同步信号从全电视信号中分离出来，通常称为“切割同步头”。图2-12是基本的同步分离电路，BG是同步分离管，R、R2是偏置电阻，R3是负载电阻，R0是隔离电阻，C是箝位电容。在图2-12
       
        所示电路中，在没有同步信号输入时，分离管BG截止。当同步信号输入时，BG饱和导通，输出跳变到接近+Ec.由于发射结导通时输入电阻很小，使C的充电时间很小，C上的电压很快被充到同步信号的峰值。此电压对发射极是反偏，同步信号过后，它使BG反偏而截止，输出电压为零。此时，C通过R（等效偏置电阻）放电，由于放电时间常数大，放电很慢，使BG基极的自给负偏压下降很慢，在下一个同步信号到来之前，BG结反偏截止，输出一直为零。当下一个同步信号到来时，同步脉冲使BG结由截止再一次变为饱和，输出电压由零又一次跳变到接近EC值。如此不断重复上述过程，将复合同步信号从全电视信号中分离出来[17]。
       
        1. 2. 2行场同步信号的分离
          从幅度分离级输出的是包含行、场同步脉冲的复合同步脉冲，因此还必须把行、场同步脉冲准确地分开，然后才可分别把它们送到行振荡级和场振荡级去，以控制行、场振荡频率。要从复合同步信号中把行同步信号和场同步信号分离，可用微分电路（图2-13）和积分电路（图2-14），只要微分电路的时间常数RC比行同步脉冲的宽度小的多，则复合同步脉冲通过微分电路后就得到一系列尖脉冲。将负的尖脉冲除去，就可用这些正的尖脉冲来控制行扫描[18]。
       
        要得到场同步信号，可用积分电路，且积分电路的时间常数RC大于行同步脉冲的宽度，而小于场同步脉冲的宽度。行同步脉冲经过积分电路后，在输出端只能得到很小的电压，而场同步脉冲则产生较大的输出电压。用于控制接收
         
       
         
        机的场扫描。图2-14是单节RC积分电路；Ui是输入的复合同步信号；Uo是输出电压。由图中可以看出，当输入电压幅度为E的方波正跳变时，由于电容C的电压不能突变，E全部落在R上，输出为零。在方波平顶期间，输入电压E不变，E通过R向C充电，使输出电压按指数曲线上升。当电路的时间常数RC和输入信号的幅度一定时，其输出信号的幅度只与输入同步信号的脉冲宽度有关。输入脉冲窄，输出幅度就小（C充电时间短，幅度上升小）；输入脉冲宽，输出幅度大（C充电时间长，幅度上升大）由于场同步脉冲宽度tv远大于行同步脉冲宽度th，所以，复合同步信号经过积分电路后，场同步信号输出的幅度远大于行同步信号的幅度，即复合同步信号经过积分电路后，将行同步信号抑制掉，而将场同步信号分离出来。