电视原理学习笔记：黑白全电视信号——复合消隐脉冲、复合同步脉冲、图像信号的分解力、带宽、频谱

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全电视信号又称视频信号，黑白全电视信号包括图像信号（亮度信号）、复合消隐信号（行消隐和场消隐信号）、复合同步信号（行同步、场同步、槽脉冲及前后均衡脉冲）。
彩色全电视信号多一个色同步信号，图像信号包含有亮度信号和色度信号。

图像信号

图像信号反映了电视系统所传送图像的信息，是全电视信号的主体。下图为黑到白 5 条灰度条所对应的图像信号的波形。图像信号的幅度在电视信号相对幅度的75％以下，一般在12.5％~75％之间。其中幅度为12.5%的电平称之为白电平，幅度为75%的电平称之为黑电平。图像信号是以64μs为周期的周期性信号，其中每行显示52 μs。图像信号的频率范围为 0～6 MHz。
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复合消隐脉冲

行、场消隐脉冲的相对电平为75%，相当于图像信号黑电平，保证在行、场回扫期间，电视屏幕不出现干扰亮线（即回扫线）。
我国标清模拟电视标准中，行消隐脉冲的标称宽带为12μs,周期为64μs;场消隐脉冲的标称宽带为25TH+12μs=1 612μs（TH为行周期，64μs）, 周期为20 ms。
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复合同步信号

复合同步信号由行同步信号、场同步信号、槽脉冲和前后均衡脉冲组成。

同步的重要性
想要使接收机重现发送端的景象，必须严格保证发送端与接收端的电子扫描步调一致，即同步；否则，重现图像就不正常。下图列出了图像收发不同步的几种情况。

为了保证发送端信号何接收端信号在相位和频率上一致，电视台设有同步机产生行、场同步信号，与图像信号一起发送出去。
行、场同步信号
①行、场同步信号的作用
行同步脉冲指令电子束开始行扫描逆程的时间，场同步脉冲指令电子束开始场扫描逆程的时间，因此行同步脉冲一行一个，场同步脉冲一场一个。

行同步信号电平为100％，宽度为4.7 μs，在行消隐期间，距行消隐脉冲前沿1.5 μs,周期为64 μs。
场同步信号电平为100％，宽度为2.5TH(160 μs），距场消隐脉冲前沿2.5TH(160 μs），周期为20ms。
由于场同步脉冲宽度远大于行同步脉冲，用简单的积分电路就能从复合同步脉冲中分离出场同步脉冲。
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3. 槽脉冲与前后均衡脉冲
由于场同步脉冲持续2.5个行周期，如果不采取措施就会丢失2～3个行同步脉冲，使行扫描失去同步，直到场同步脉冲过后，再经过几个行周期，行扫描才会逐渐同步，从而造成图像上边起始部分不同步。为了避免上述情况发生，可在场同步脉冲期间开 5 个小槽来延续行同步脉冲，这就是槽脉冲。

槽脉冲宽度与行同步脉冲相同，它的后沿与行同步脉冲前沿（上升沿）相位一致。这样，在场同步脉冲期间，槽脉冲起行同步脉冲的作用，从而消除了图像上部的不同步现象。场同步脉冲之前的5个脉冲叫前均衡脉冲，场同步脉冲之后的5个脉冲叫后均衡脉冲，均衡脉冲宽度为2.35 μs。
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全电视信号

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全电视信号有如下三个特点：
① 脉冲性：全电视信号以行周期和场周期作周期性重复变化。
② 周期性：全电视信号除图像信号是随机的以外，其他信号均为脉冲信号。
③ 单极性：由于全电视信号含有直流成分，使全电视信号总是在零值以上或以下的一定电平范围内变化，而不会同时跨越上下两个区域，这种性质称为单极性。

全电视信号中各辅助脉冲参数如下：
行消隐脉宽： 12 μs
行同步脉宽： 4.7 μs
场消隐脉宽： 1612 μs
场同步脉宽： 160 μs
槽脉冲脉宽： 4.7 μs
均衡脉冲宽： 2.35 μs

图像信号的频带

图像信号频带宽度（带宽）：图像信号最高频率fmax和最低频率fmin的差值。

图像信号的最低频率就是信号的平均电平或直流分量，它对应于图像的平均亮度或背景亮度。静止画面时，平均电平恒定不变，故最低频率为零频率。传输运动景物时，切换镜头比较慢，故平均电平变化很小，基本恒定，所以，图像信号的最低频率接近于零。因此带宽等于最高频率。

电视系统的分解力越强，对应于图像细节跳边沿越陡，信号包含的最高频率也越高，所谓的分解力是指电视系统分解与恢复图像细节的能力，即图像信号的最高频率与电视系统的分解力有密切关系。

图像信号的分解力

在电视系统中，沿画面垂直方向分解图像细节的能力称为垂直分解力;沿画面水平方向分解图像细节的能力称为水平分解力。

垂直分解力
电视系统沿垂直方向所能分解的黑白相间的条纹数称垂直分解力。电视系统理想的垂直分解力等于有效扫描行数。（在625/50场系统中，理想的垂直分解力是575线（TVL））。TVL称电视线，其意思是如果被摄景物是黑白相间的细横条图案，当总数为575横条的黑白图案，正好能被电视系统的575扫描行分解和综合出来，呈现于荧光屏上。垂直分解力用M表示，此时M＝Z（1-β）=575TVL。

由于画面垂直细节与电子束扫描线间的相对位置关系有随机性，所以实际上垂直分解力数值M小于有效扫描行数，一般在有限扫描行数Z’和Z’/2之间，写作：

                           M'=K1×Z'=K1×Z（1-β）

Kev是垂直凯尔系数，0.5<K1<1。对于我国的625行/50场扫描制，K1=0.75，β=0.08，M’＝K1×Z（1-β）=431TVL。

在隔行扫描中，考虑到隔行因子Ki的影响，M’'＝Ki×K1×Z（1-β）

水平分解力
电视系统沿水平方向所能分解的黑白相间的条纹数或像素数称水平分解力。
扫描光栅的幅型比为K，可以认为水平方向的图像分辨率与垂直方向是一致的，水平方向可能分解的像素数（即列数）为：
```
                   N＝K×K1×Z（1-β）在隔行扫描中，考虑到隔行因子Ki的影响，N'＝Ki×K×K1×Z（1-β）
```

图像信号的带宽

图像带宽等于最高频率，一对黑白像素在光电转换后对应一个正弦波周期，所以水平方向的正弦波周期数：
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行扫描正程时间:

其中，TF 是—帧周期，故水平方向可分解的正弦波的最小周期为：

这个最小周期的倒数就是视频信号的最高频率：

按我国广播电视标准，取α=0.1875，β=0.08，K1＝0.76，幅型K=4/3，帧频fF＝50HZ，扫描行数Z=625。视频信号的最低频率是直流分量，光电转换后产生的视频信号的带宽为11.10264228MHz：
若采用隔行扫描，根据帧周期TF与场周期TV的关系，可以得到视频信号的带宽为大概 5.6 MHz;
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图像信号的频谱

图象信号的频谱是指在其频带内图象信号所含的频率成份及其能量分布，即各频率成份的相对幅度。图象信号的频谱有一定规律性。

只在水平方向有亮度变化的静止图像
只在水平方向有亮度变化的静止图像，每个行扫描得到的图象信号都是一样的。根据傅立叶分析，如下图所示，图像特点是频谱是线状谱，位于n*fH上，即行频及其谐波上。且n越大，能量（幅度）越小。（对于我国6MHz带宽，最高谐波次数n=600000/15625=384）
在垂直方向也有变化
用二维傅立叶级数分解，如下图所示，频谱成份为fnm=nfH±mfv。可见其频谱分布是离散而又成群的。特点是信号能量集中在行频及其各次谐波的主谱线上，n越大，能量越小。在每个主谱线两旁存在着场频及其谐波的许多副谱线。m越大，副谱线能量也越小。

当垂直方向有精细细节变化时，两场信号会有差异，其信号波形以帧为周期重复，如下图所示，频谱成份应为fnm=nfH±mfF（fF为帧频，25Hz）由于垂直方向内容有不小的相关性，所以，帧间差引起奇数倍成份相对较小。
运动图像的频谱
对于一般速度运动的物体，形成的帧周期信号波形表现为随运动情况而在时间轴上的相位有变化。随景物运动，nfH两旁的±mfv依时间左右摆动，此时，主谱线两旁的副谱线近乎连续，如下图所示。尽管如此，由于电视图像相邻帧间、行间相关较大，因此相邻群之间有信号能量的空白区。

　　总而言之，图像信号频谱的分布呈离散而又成群(或称为梳状结构），能量主要集中于行频及其谐波为主谱线的附近，而且谐波次数n越大，谱线的幅度即能量越小。在每群谱线之间(即在1/2fH奇数倍的周围)有近1/3fH~2/3fH的空隙，而且频率越高，空隙越大。这一带宽的空隙将在彩色电视中得到利用。我国的模拟彩色电视制式,就是将图像的色度信号频谱搬移到高处，并插人亮度信号(即此处所说的黑白图像信号)频谱的空隙内传输的。这样，可以充分利用原有的黑白电视视频带宽，做到色度信号与亮度信号共用一个频带传输而不必增大彩色电视的频带宽度。