电视扫描与同步.docx

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电视扫描与同步

§1.3电视扫描与同步

如前所述，电视图象的摄取与重现实质上是一种光电转换过程，它分别是由摄象管和显象管来完成的。

顺序传送系统在发送端将平面图象分解成若干象素顺序传送出去，在接收端再将这种信号复合成完整的图象，这种图象的分解与复合是靠扫描来完成的。

扫描三种方式：

机械扫描，电子扫描，固体扫描。

机械扫描方式用于机械电视系统，最有代表性的是1884年德国人尼普科夫制作的第一台电视装置，它是借助于尼普科夫圆盘来完成图象的分解和复合的。

摄象管和显象管是采用电子束扫描方式；固体摄象和显象器件则采用固体扫描方式。

本节只介绍电子（束）扫描，固体扫描见4.3.3节，关于机械扫描方式请看参考文献〔3〕。

根据电子束的扫描规律不同，电子扫描又分为直线扫描（包括逐行扫描和隔行扫描）、圆扫描、螺旋扫描等多种方式；但是，在广播电视系统中，为了充分利用矩形屏幕，并使扫描设备简单可靠，通常只采用匀速单向直线扫描方式，所以本节的重点是介绍逐行扫描、隔行扫描以及扫描同步原理。

另外，为了帮助读者加深理解行、场偏转电流与电子束运动规律的相互对应关系，还特意介绍了圆扫描和螺旋扫描，不过后两者一般只用在特种工业电视系统中。

摄象管的电子束偏转角较小，可采用磁偏转和静电偏转两种方式。

显象管的偏转角较大，故只采用磁偏转方式。

下面以显象管的磁偏转为例介绍电子扫描的原理。

1.3.1水平偏转与垂直偏转

一、水平偏转

显象管外套有水平和垂直两组偏转线圈，在有电流通过时分别产生垂直与水平方向的磁场。

当电子束通过上述磁场时，将分别产生水平方向和垂直方向的扫描运动，图1.3－1（a）是电子束在水平偏转线圈作用下的扫描示意图。

水平偏转线圈为一双上下对

称、水平放置的线圈，依右手螺旋定则，流经线圈的电流将产生垂直方向的磁场；据左手定则，电子束通过垂直磁场应产生水平偏转，从而实现电子束的水平扫描。

电子束偏离显象管中心轴线的夹角称为偏转角（ψ）。

实验表明：

当ψ较小时，电子束偏离屏幕中心的距离与偏转电流的数值成正比。

当偏转电流iH为图1.3－1（b）所示锯齿波电流时，电子束将作匀速直线扫描运动。

在THt期间，iH由正到负，电子束从右至左扫描，称为行扫描逆程。

正程和逆程时间之和

称为行扫描周期，且为行扫描频率之倒数1/fH=TH0α=THr/TH称为行扫描逆程系数。

若电子束只有水平扫描运动而无垂直扫描运动，则在荧光屏上将呈现一条水平亮线，如图1.3－1（c）所示。

二、垂直偏转

图1.3－2（a）是电子束在垂直偏转线圈作用下的扫描示意图。

一对垂直偏转线圈

产生水平方向的磁场，故电子束穿过该磁场时产生垂直方向的偏转，从而实现垂直扫描运动。

同行扫描类似，当垂直偏转电流如图1.3－2（b）所示的锯齿波时，电子束将作匀速直线运动。

在TVT期间，电子束从上至下，称为场扫描正程；在Tvr期间，从下至上，称为场扫描逆程。

称为场扫描周期，且为场扫描频率之倒数1/fv＝＝Tv，β＝Tvr/Tv称为场扫描逆程系数。

若电子束只有垂直扫描而无水平扫描，则荧光屏上将出现一条垂直的亮线，如图1.3－2（c）所示。

1.3.2逐行扫描与隔行扫描

当水平和垂直偏转线圈中同时加入锯齿波电流时，电子束既作水平扫描又作垂直扫描，而形成直线扫描光栅，这称为直线扫描。

它分为逐行扫描和隔行扫描两种方式。

逐行扫描是一行紧跟一行的扫描。

隔行扫描是将一帧画面分成两场扫描，一场扫奇数行，称为奇数场；另一场扫偶数行，称为偶数场。

奇、偶两场光栅均匀相嵌，构成一帧完整的画面。

由于隔行扫描优于逐行扫描，所以广播电视中都采用隔行扫描方式。

一、逐行扫描

当水平和垂直偏转线圈中分别流过如图1.3－3（d）、（e）所示水平和垂直扫描电流时，就能产生逐行扫描光栅。

图1.3－3（a）和（b）分别是场正程和场逆程期间的扫描光栅，图中实线是行扫描的正程线，虚线是行扫描的逆程线。

其特点是：

①行频是场频的整数倍，故相邻场的光栅重迭，形成逐行扫描的光栅。

②fH>>fV，故电子束的水平运动速度

大于垂直运动速度

，从而形成水平倾斜的光栅。

反之，若fv>>fH，则形成垂直倾斜的光栅。

在广播电视中，为了使图象均匀而清晰，在逆程期间不传送图象信号，故采取措施使行、场逆程期间电子束截止而不显示图象（或称消隐）。

图1.3－3（c）是消去行、场回扫线后的正常光栅。

为了提高传输效率，应使正程时间远大于逆程时间。

即THr>>THr，TVt>>TVr。

我国广播电视规定：

。

随着电视技术的发展，人们将利用逆程期间传送文字广播等辅助信息（见第六章）。

在逐行扫描中，若每场含有z行（z为整数），则

。

当z增加时，扫描光栅的水平倾斜角减小而趋于平直；当z足够大时，人眼将分辨不出行扫描的光栅结构，而只能看到一个均匀发光的平面。

二、隔行扫描

如果行频不等于场频的整数倍，则相邻场的光栅不能重迭，当

时（n为整数），相邻两场的光栅就能均匀相嵌，形成隔行扫描的光栅。

在隔行扫描中，扫完一帧图象所需时间称为帧扫描周期Tv，其倒数1/TV＝fF称为帧频，并且存在

的关系。

我国电视规定

。

若已知隔行扫描的行、场扫描电流波形，则可先找出行（场）的起点和终点位置，从而画出其扫描光栅。

图1.3－4是隔行扫描的一个简例，设每帧有11行，

，则每场有5.5行，即

第一步，依上述数据，较精确地画出行、场偏转电流波形，交给每行（场）的起点和终点编号。

第二步，根据在均匀磁场作用下，当偏转角较小时，扫描点在平面屏幕上的偏转距离与偏转电流近似成正比的原理（见参考文献〔2〕，P.68）；画出每行（场）起点和终点在屏幕上的位置，从而画出隔行扫描的光栅图。

隔行扫描分为奇数行隔行扫描和偶数行隔行扫描。

前者每帧取奇数行，即

，式中n为整数；后者每帧取偶数行，即

。

为了实现两场光栅均匀相嵌，前者场扫描波形简单，只要保证奇、偶两场周期相等即可。

而后者必须要求寄、偶两场锯齿波电流有一微小偏移，如图1.3－5所示。

使偶数场光栅相对于奇数场光栅恰好下移一个行距，这种场扫描电流波形等于正常的场锯齿波如图1.3－5（c）所示帧频矩形波之迭加。

对帧频矩形波的幅度要求极严，否则两场光栅就会出现局部或完全并行，使垂直清晰度下降，这增加了技术上实现的难度，所以世界各国的广播电视都采用奇数行隔行扫描。

1.3.4扫描同步原理

一、同步的必要性

同步是指收发两端在同一时刻，必须扫描在几何位置上相对应的象素点。

为此，必须要求收、发两端行、场扫描都同步。

行同步的条件是行扫描同频率及每行起始和终止时刻相同；场同步的条件是场扫描同频率且每场起始和终止时刻相同。

简言之，只有行、场扫描同频同相，收发才能同步；否则，就会失步。

下面举例说明。

1.若收发场同步，但收端行扫描频率比发端偏高。

就会出现向右下方倾斜的黑白相间带状图象，如图1.3－8（a）所示。

其原因解释如下：

假定收发都从第一行起点开始扫描，因收端行频偏高，发端第一行的内容未播完时，收端已经开始第二行的扫描了，故它把第一行消隐信号部分或全部移到第二行的正程，使第二行左边开始位置出现黑道。

当发端第二行未播完时，收端第三行扫描更早地开始，于是把第二行的消隐信号，甚至某些图象内容又移到第三行，使第三行出现黑道。

与第二行的黑道相比，向右推移了一段距离，……这样不断地向下向右推移下去，就出现向右下方倾科的黑白相同的带状图象。

反之，当收端行频偏低时，会出现向左正文倾斜的黑白相间的带状图象，如图1.3－8（b）所示。

2.若收发场同步，行扫描同频但不同相，假设相差半行时间。

此时图象虽然可以稳定，但是出现图象左右割裂的现象，如图1.3－9（b）所示。

3.若收发行同步，但收端场扫描频率比发端高，就会出现向下滚动的图象，如图1.3－10（a）所示。

其原因是：

因收端场频偏高，发端第一场未播完，收端已开始第二场扫描，这样发端第一场下部的内容和场消隐信号移到收端第二场的上方，而将发端第二场的内容顺序向荧光屏下方推移。

依次类推，出现整幅图象和一水平黑条（场消隐信号形成）向下滚动的现象；并且接收机场频越高，图象向下滚动越快。

反之，收端的场频低于发端时，图象将向上滚动，如图1.3－10（b）所示。

4.若收发行同步，场扫描同频，但不同相，假设相差半场时间，此时图象虽然可以稳定，但是出现图象上下割裂现象，如图1.3－9（c）所示。

综上所述，扫描的同步在电视中是极其重要的，否则收端根本无法正确重现原景物的图象。

在实际的电视系统中，收发两端相对应的象素并非在同一时刻扫描，收端总有一些延时，只要所有象素延时时间相等，图象还是同步的，不会产生失真。

严格地讲，为了确保精确的同步，除了要求收发行场扫描同频同相外，还需要行、场扫描正程线性良好和具有相同的幅型比，这样才能真正保证扫描象素在几何位置上一一对应，图象才不会出现失真。

在电视中为了保证扫描的同步，通常在发送端有一同步机产生行、场同步信号。

它们同时控制摄象管和显象管的行、场扫描，使两者保持同频同相。

因此，摄象管和显象管的电子束就能在同一时刻扫描相对应的象素点。

此外，同步机还产生行、场消隐信号，将行、场扫描回扫线消掉。

二、复合同步信号

要使摄象管和显象管的扫描同步，同步机每一行都产生一个行同步脉冲，用它的上升沿分别去控制摄象管和显象管行扫描电流的回程起点，如图1.3－11所示。

回程起点为一个行周期的开始。

由于收、发两端每一行的起点对准于于行同步的前沿，故行扫描频率相同，扫描的起始和终止时刻也相同，从而实现行扫描同步。

与此相似，同步机每一场都产生一个场同步脉冲，使收、发两端每场回程起点都对准于场同步的前沿，从而达到场扫描同频同相的目的。

为了用一个通道传送，所以在发送端将行、场同步信号结合在一起。

如图1.3－12（a）所示。

行、场同步信号分别规定这频率和脉宽各异的矩形脉冲。

我国电视规定：

行频为15625Hz，行同步脉宽为4.7μs；场频为50Hz，场同步脉宽为：

2.5H＝2.5×64=160μs。

行、场同步信号结合在一起的信号称为复合同步信号。

在电视接收机中，用积分电路可以从复合同步信号中分离出场同步信号。

因为行脉冲和窄干扰脉站积分后的幅度较小，而场同步脉冲较宽，积分后的幅度较大，可以达到场扫描电路触发转换工作状态的电平，如图1.3－12（c）所示。

所以积分电路分离场同步时，抗干扰性能较强。

另外，复俣同步信号经过微分电路，并用限幅器切除负脉冲，保留正脉冲作为行同步信号，如图1.3-12（b）所示。

用积分电路和微分电路分离行、场同步信号的方法称为“频率分离法”。

三、场同步信号的开槽

由于场同步信号脉宽为2.5H，它覆盖2～3个行同步脉冲，在场同步期间没有行同步输出，如图1.3-12（b）所示。

行扫描振荡器失去同上后对于再出现的行同步信号，并不能立即被它同步住。

有一个所谓同步锁定时间，失步状态可能延及相当的行数，甚

至影响场正程开始的若干行图象，使屏幕上部的图象出现扭曲的现象。

为此，将场同步脉冲开槽，如图1.3－13所示使槽脉冲的上升沿对准原来被覆盖的行同步的前沿，经微分的限幅电路后，使原来丢失的行同步信号得以恢复。

又因槽脉冲很窄（4.7μs），所以对用积分电路分离场同步信号没有影响。

四、前后均衡脉冲

在场同步脉冲开槽后，复合同步信号基本能使收端的行、场扫描与发端同步。

由于采用奇数行隔行扫描和用积分电路取出场同步信号，因此会导致奇、偶两场起始时刻会有时间差异，即奇、偶两场的时间不能精确等于一帧时间的一半。

一场稍多，另一场则稍少。

奇、偶场时间的微小差异导致两场光栅不能精确相嵌，这使得垂直分解力大大下降，解决这个问题的办法是在场同步信号的前后加均衡脉冲。

详细分析如下：

在奇数行隔行扫描系统中，每场都包含有半行。

奇数场最后一行为半行，偶数场第一行为半行，最后一行为整行。

由奇数场向偶数场过渡时，场同步前沿距其前面的行同步脉冲为半行，而偶、奇过渡时为一行，若将奇、偶两场的场同步前沿对齐，如图1.3-14（a）、（b）所示，则可能看出，两场行同步脉冲和槽脉冲的位置不相同。

当这两种复合同步信号经过积分电路时，由于场同步前的行同上位置不相同，使得场同步积分的起始值不同，奇、偶过渡时高，偶、奇过渡时低；另外，由于槽脉冲对应位置不相同，两种过渡的放电时刻也不相同，因此两种过渡的积分波形不重合，如图1.3-14（c）所示。

在接收机中，当用这种积分波形去触发场扫描发生器时，若设发生器的触发电平为某定值E，E与两种积分曲线的交点分别为a和b；且随着E值的不同，a可能超前或者滞后于b点，这就导致了奇偶两场的时间间隔不相同。

但是每帧还是40ms（以我国广播电视为例），若奇数场大于20ms，则偶数场必小于20ms。

奇偶两场的周期不相等，使得奇偶两场第一行的起始位置不是相差半行，这就不能保证两场光栅精确的均匀相嵌。

例如奇数场周期为19.9872ms，包含312.3行，偶数场为20.0128ms，包含312.7行，分别用实线和虚线画出奇数和偶数场的光栅如图1.3-15所示。

由图可见，偶数场光栅并非均匀嵌套在奇数场的光栅之间，而是两场扫描线靠扰了。

假如奇数场周期进一步减少到19.968ms（即312行），偶数场周期增大到20.032ms（即313行）时，两场光栅将完全重合，称为并行，所以垂直分解力将严重下降。

可见这种复合同步信号还不能保证隔行扫描的准确性，必须加以改进。

应设法使得在场同步脉冲期间，这两种积分波形相重合。

具体措施如图1.3-16所示：

①在场同步脉冲前后各设5个频率等于二倍、脉宽等于行同步一半的脉冲。

在场同步之前称为均衡脉冲，在场同步之后称为后均衡脉冲。

前均衡脉冲使得奇偶两场场同上积分的起始值一致。

为了使频率提高后行同步的平均电平不变，所以均衡脉冲的脉宽只取行同步的一半。

②将场同上中的槽脉冲增加到5个，并使它们在奇、偶两场场同步中的位置对应相同，这使奇偶两场场同步对积分电路的充放电时间相同。

所以两种过渡的积分曲线将完全重合，从而保证了隔行扫描的准确性。

后均衡脉冲可以保证积分波形在较宽的范围内一致。

在以前制定标准时，有人认为，它对某些场同步分离有利，可以更好地保证两场光栅精确的相嵌；但是，现在看来作用不大，成为一种对称性的摆设。

由于它并无坏处，并且不增加电路上的复杂性，所以就一直沿用至今。

增加均衡脉冲和槽脉冲的个数后，对行扫描的同上并无影响，这个问题在学完5.6.2节中关于AFPC电路的工作原理后就会明白。