第5章电视图像调制技术.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 电视图像调制技术,中国传媒大学信息工程学院,在现代电视发射机中，电视图像信号的传送皆采用低电平中频振幅调制方式，即用电视图像信号对固定的中频（我国电视广播标准规定，中频载频为,37MHz,）,调幅，并经过中频宽带放大后送出符合规定电平的中频图像已调幅信号。同时，电视图像采用残留边带发送方式，为了获得这一特性，需要采用残留边带滤波器。,第一节 电视图像调制器,一、电视图像调制器的组成及要求,电视图像调制器是电视图像发射机中重要的组成部分。它主要是由视频倒相与箝位电路、中频载波晶振、调幅器以及中频宽带放大器组成的。,（一）视频倒相与箝位,根据电视广播标准规定，图像调制采用负极性调幅方式。为了适应这一要求，对全电视号而言，就需将送入调制器正极性全电视信号变成负极性全电视信号。为此，在调制之前，视频通道必须设置有奇数倍的放大级进行倒相。,同时，由于在视频通道中，通常都采用阻容耦合放大器，因此必然造成全电视信号中直流分量的丢失，使得全电视信号的黑色电平不能固定在同一电平上。这样，代表图像不同背景的平均亮度就传送不出去，从而造成失真。为此，在全电视信号送至图像调制器之前，就要设法恢复全电视信号丢失的直流分量。,采用箝位电路间接恢复直流。采用这种方法的结果，它不仅可以恢复被丢失的直流分量，而且还可抑制低频和电源频率对全电视信号的干扰。,（二）图像中频载波,我国电视广播标准规定图像中频载波的频率为,37MHz,。,频率要足够准确和稳定。为适应这一要求，图像中频载波的产生，一般都采用带有恒温装置的晶体振荡器来实现。,（三）图像中频调幅器,在电视图像调制技术中，对图像中频调幅器的要求，主要是提高调制线性，减少非线性失真，以得到非常低的微分增益和微分相位失真；并使振幅频率特性和群时延频率特性易于得到保证，从而能够获得较好的彩色性能指标。为此，在现代电视发射机中，普遍采用晶体二极管环形调幅器。,由于这种调幅器与其它类型的调幅器相比，具有良好的调制线性、很小的微分增益和微分相位失真、振幅频率特性和群时延频率特性易于保证，以及无用频率分量干扰少等特点，因而得到了广泛应用,晶体二极管环形调幅器，又称为晶体二极管双平衡调幅器，其电路本身是抑制载频分量的。但是，用于电视图像调幅时，根据残留边带发送方式的要求，需保留其载频分量。为此，必须利用外部条件（如加适当的偏置电压）使环形调幅器处于不平衡工作状态，以保证经调幅后输出的已调幅波为带有载频分量的双边带调幅波信号。,（四）中频宽带放大器,为将中频信号放大到规定的电平输出，通常在环形调幅器之后都设置有数级中频宽带放大器。对中频宽带放大器的要求，按照我国电视广播来说，欲放大的图像中频已调幅波信号，带宽为,12MHz,，,除要求提供一定的增益外，还要求具有良好的振幅频率特性，且多级级联时稳定可靠。,为适应这些要求，在国产电视发射机的图像中频调制器中，多采用,3,4,级晶体管共基宽带放大器，并利用传输线变压器的宽带特性作为放大器的负载，以得到所需的增益和满足宽频带的要求。,二、环形调幅器工作状态分析,环形调幅器的基本电路,图中，,u,0,为中频,(37MHz),载波电压，经变压器,B,1,加到二极管调幅器；,u,为调制信号电压，,E,0,为直流偏置电压。在这种电路中，为了获得良好的调制线性，选取,u,0,(u,+E,0,),，,且设,D,1,D,4,特性完全一致，两变压器,B,1,和,B,2,中心抽头两侧的两个绕组对称，已调幅波经变压器,B,2,输出给负载。,二极管双平衡调幅器可以看成是由两个二极管平衡调幅器组成的,.,二极管双平衡调幅器的等效电路,当,u,0,处于正半周时，二极管,D,1,和,D,2,导通，,D,3,和,D,4,截止，等效电路如图,6-2,（,a,）,所示,相应的简化电路如图,6-2,（,c,）,所示；当,u,0,处于负半周时，二极管,D,3,和,D,4,导通，,D,1,和,D,2,截止，等效电路如图,6-2,（,b,）,所示,相应的简化电路如图,6-2,（,d,）,所示。,对负载来说，输出电流都与（,i,1,-i,2,）,及（,i,3,-i,4,）,成比例。由于（,i,1,-i,2,）,及（,i,3,-i,4,）,在负载上造成的感应电动势方向相反，所以，总的感应电动势则与（,i,1,-i,2,）,-,（,i,3,-i,4,）,成比例。,为便于分析，假设调制信号,u,=,U,m,cost,。当,u,0,为正半周时，,D,1,和,D,2,导通，,D,3,和,D,4,截止。由于加于,D,1,的正向电压为,U,0,+U,m,+E,0,，加于,D,2,的正向电压为,U,0,U,m,-E,0,，,所以流经,D,1,和,D,2,的电流分别为：,i,1,=I,0m,(1+K+mcost)*(,0,+,1,cos,0,t+,2,cos2,0,t+),（,6-1,）,i,2,=I,0m,(1-K-mcost)*(,0,+,1,cos,0,t+,2,cos2,0,t+),（,6-2,）,式中，,K=I,1,/I,0m,，,其中,I,1,表示由,E,0,引起的电流变量；,I,0m,为零偏置且,u,=O,时载波电压引起的脉冲电流最大值；,m=I,2,/I,0m,，,其中,I,2,为调制信号电压引起的电流变量；,0,、,1,、,2,为脉冲电流分解系数。,当,u,0,为负半周时，,D,1,和,D,2,截止，,D,3,和,D,4,导通。这时，加于,D,3,的正向电压为,U,0,+U,m,+E,0,，,加于,D,4,的正向电压为,U,0,-U,m,-E,0,，,于是流经,D,3,和,D,4,的电流分别为：,i,3,=I,0m,(1+K+mcost)(,0,-,1,cos,0,t+,2,cos2,0,t-,3,cos3,0,t+),（,6-3,）,i,4,=I,0m,(1-K-mcost)(,0,-,1,cos,0,t+,2,cos2,0,t-,3,cos3,0,t+),（,6-4,）,显然，在中频载波电压变化一周时，流经输出变压器总的合成电流为：,I,=,(i,1,-i,2,)-(i,3,-i,4,)=4I,0m,(K+mcost)(,1,cos,0,t+,3,cos3,0,t +),=,4KI,0m,(,1,cos,0,t+,3,cos3,0,t+)+4 mI,0m,cost(,1,cos,0,t+,3,cos3,0,t +),（,6-5,）,由式（,6-5,）式可见，在环形调幅器输出的信号中，既有载频分量，又有边带分量，且频率成分仅为,：,N,0,和,N,0,，,其中,N=1,3,5,。,通过选频电路取出载波分量和边带分量，滤掉其他分量，即可获得已调幅波输出。,u,为负极性视频图像信号时，双平衡调幅器的电流波形,采用环形调幅器，它具有以下特点,:,工作于不平衡状态，可以得到所需的图像中频已调幅波；选取,U,0,(U,m,+E,0,),，,可使环形调幅器工作于开关状态，即使输出已调幅波的调制度达,100%,，而对每只二极管而言，其调制度却是很浅的，因此二极管特性底部的弯曲部分可避开不用，从而获得良好的调制线性；,频谱比较纯洁，其输出频率成分仅有,N,0,和,N,0,(N=1,3,5 ),，,无用频率成分干扰少，且频率间隔较大，因此就使得环形调幅器的输入和输出电路可以采用非调谐电路（如传输线变压器），而且振幅频率特性和群时延频率特性都易得到保证。,此外，由于环形调幅器本身的电路参数和安装都是对称的，所以通过二极管结电容和杂散电容直接耦合到输出端的信号是相互抵消的，从而使得,DP,失真大为降低。显然，在低电平中频调制技术中，图像调制采用环形调幅器，它是比较理想的一种调幅器。,三、电路参数选择及采取的措施,（一）电路参数的选择,正确选择电路参数，主要是对载波电压和二极管的选择来说的。它是使环形调幅器处于最佳调制状态的重要保证。,1,载波电压的选择,载波电压的选择，主要是能够保证二极管正确导通和截止，使二极管处于开关工作状态。通常选取载波电压为：,U,0,=(10,15)(U,m,+E,0,)(6-6),2,二极管的选择,二极管的选择，最好选用超高速开关管或热载流子二极管。在特性方面，应尽量挑选四只二极管正反特性一致，并以正向等效交流电阻小，反向饱和电流也小为宜。,（二）减小环形调幅器电路不平衡的措施,为了使环形调幅器电路本身尽量达到平衡，致使微分相位失真最小，在电路中采取的措施，主要有以下两个方面。,1,精心绕制变压器,在绕制输入变压器,B,1,和输出变压器,B,2,时，应力求使,B,1,的次级及,B,2,的初级中心抽头两侧的两个绕组对称，而且还应考虑到分布参数的影响。通常,，,B,1,和,B,2,的绕制采用电压比为,l:1,，,初次级分开绕制在单磁环上。其中，,B,1,次级,和,B,2,初级采用双股绞合作为中心抽头，再分别向两侧绕制相同的匝数。,2,采取平衡措施,在电路中采取平衡措施，通常是在环形调幅器中增设平衡电阻和平衡电容，图,(a),适用于工作频率较低的情况，图,(b),适用于工作频率较高（如,37MHz,）,的情况。对于电视图像中频调制而言，采用图,(b),所示的电容平衡方法，通过调整电容可以使电路本身达到平衡，以减小损耗和微分相位失真。这是常采用的一种方法。,环形调幅器采取的平衡措施,第二节 残留边带滤波器,电视图像采用残留边带调幅发送方式，其残留边带振幅频率特性，在低电平中频调制电视发射机中，它是在中频通道（图像中频调制器之后）利用残留边带滤波器实现的。这样，不论哪个频道，残留边带滤波器均可工作在固定的中频范围内，并可采用集中参数元件来实现，对于生产和维护都是十分有利的,。,残留边带滤波器的形式：,所采用的残留边带滤波器，主要有两种形式，一种是由,LC,组成的残留边带滤波器，另一种是声表面波残留边带滤波器。,一、对残留边带滤波器的要求,残留边带滤波器，实质上是一种对通带、阻带和过渡带都有一定要求的带通滤波器。,中频残留边带振幅频率特性,中频残留边带滤波器应满足以下要求：,（,1,）通频带：通频带的频率范围为,31,37.75MHz;,（,2,）,通频带内最大衰减为,A,P,1.5dB,；（,3,）,过渡带：频率间隔按,500kHz,考虑；（,4,）,30.5MHz,和,38.25MHz,处的衰减,As 25dB;,（,5,）,特性阻抗：按,50,配接。,根据对中频残留边带滤波器振幅频率特性的要求，应使它能够满足：通频带内衰减尽量小，振幅频率特性平坦；过渡带窄；特性阻抗低，并能在通带内保持为不变的纯阻等。此外，对于由,LC,组成的中频残留边带滤波器而言，应使高低频衰减特性对称，以便于群时延校正,二、,LC,残留边带滤波器特性,LC,残留边带滤波器，根据技术要求设置在图像中频调制器之后，可采用高通滤波器和低通滤波器组合而构成。,实际是利用高通滤波器和低通滤波器串接而构成带通滤波器。一是由于在中频时的工作频率和工作电平都比较低，而且对工作于任意频道都是固定不变的，所以可采用集中参数元件,LC,来构成；另一方面，欲获得符合要求的中频残留边带振幅频率特性，对滤波器的要求，特别是对过渡带要求很严格，可采用椭圆函数（柯尔）型滤波器来实现。,国产电视发射机中采用的中频残留边带滤波器，就是由椭圆函数型高通滤波器和椭圆函数型低通滤波器组合而成的。采用椭圆函数型滤波器，是因为椭圆函数型滤波器的通带和阻带虽然具有一定起伏，但过渡带可以做得很窄，易满足中频残留边带振幅频率特性的要求。,椭圆函数型滤波器的特点：,(1),在通带内可做到仅有一定小衰减量的起伏，且可不超过规定的带内最大衰减,值,A,P,;(2),在阻带内具有较大衰减量的起伏，且可不低于规定的,(3),谐振频率可各实现一个有限传输的零点频率，即在该频率点输出电压为零。这样，就可以把有限频率的传输零点移至离通带较近的频率点上，使衰减曲线的过渡带变窄。,采用椭圆函数型滤波器，当串臂和并臂数目（称为阶数，通常用,N,表示）越多时，衰减曲线的过渡带就会变得越窄。为此，在实际工作中，考虑到对中频残留边带滤波器的要求，兼顾通带的最大衰减,A,P,、,阻带的最小衰减,As,、,以及过渡带的宽窄，采用,9,阶椭圆函数型高通滤波器和,9,阶椭圆函数型低通滤波器，并将二者串接起来即可组成符合技术标准要求的实际,LC,中频残留边带滤波器。,低电平中频调制残留边带滤波器组成方块图,残留边带滤波器接在图像中频调制器之后，其输入阻抗为,50,，输入中频调幅波信号,316mv(,有效值,),，在,50,的负载上获得,100,mv,(,有效值,),的残留边带调幅波信号。,9,阶椭圆函数型高通滤波器的构成,高通滤波器的衰减频率特性与振幅频率特性,阻带衰减峰谐振频率共有,4,个：,f,2,=18.627MHz(L,2,和,C,2,串联谐振,),f,4,=29.41 MHz(L,4,和,C,4,串联谐振,),f,6,=30 MHz(L,6,和,C,6,串联谐振,),f,8,=27 MHz(L,8,和,C,8,串联谐振,),。阻带衰耗,As 25dB,，,通频带内最大衰减为,A,P,1.5dB,，,截止频率,30.37 MHz,。,9,阶椭圆函数型低通滤波器的构成,低通滤波器的衰减频率特性与振幅频率特性,阻带衰减峰频率：,f,2,=61.64MHz(L,2,和,C,2,并联谐振,),f,4,=39.033 MHz(L,4,和,C,4,并联谐振,),f,6,=38.2785 MHz(L,6,和,C,6,并联谐振,),f,8,=42.525 MHz(L,8,和,C,8,并联谐振,),。为了提高并联谐振电路的谐振阻抗，低通滤波器的特性阻抗选为,200,。阻带衰耗,As 25dB,，,通频带内最大衰减为,A,P,1.5dB,，,截止频率,30.75 MHz,，,镜像彩色副载波频率,41.434MHz,处的衰减,30dB,。,需要指出，采用椭圆函数型高通滤波器和椭圆函数型低通滤波器的组合来构成,LC,中频残留边带滤波器，虽然可以获得满意的振幅频率特性，但是在振幅频率特性变化急剧的过渡带附近，将会出现相位频率特性的非线性，从而造成远远超出技术指标规定的群时延失真（约为,500ns),，,影响图像的传输质量。为此，在电路中需增设群时延失真校正电路来加以补偿，以提高图像质量。,三、声表面波残留边带滤波器简介,声表面波滤波器，简称为,SAWF(Surface Acoustic Wave Filter),，,它是声表面波技术与电子技术相结合的产物。这种滤波器用于电视图像中频形成残留边带特性，不仅可以获得较满意的振幅频率特性，而且还可以得到线性的相位频率特性。,声表面波滤波器比集中参数,LC,残留边带滤波器在性能方面要优越得多，特别是工作于固定的中频，通过的功率电平很低，在电性能和机械性能方面都较容易实现。因此得到了广泛应用。,（一）声表面波残留边带滤波器的结构及工作原理,声表面波残留边带滤波器是在压电介质材料基片上蒸镀输入和输出两组金属电极，且呈叉指形状，通常称为叉指换能器。,声表面波残留边带滤波器结构示意图,当在输入叉指电极上加一交变电信号时，由于压电材料的压电效应，使压电介质基片表面产生机械伸缩变形，从而产生了频率与交变电信号频率相同的声表面波。,此声表面波将沿着与叉指电极垂直的两个方向传播，由于向左方传播的声表面波不能利用，通常采用吸收材料将它吸收掉，而向右方传播的声表面波，则经过一定时间到达输出叉指电极。然而，又由于压电介质的反压电效应，到达输出叉指电极的声表面波又转换成电信号而输出送至负载。,利用声表面波，之所以能够构成滤波器，关键在于两个叉指换能器。具体来说，当外加交变电信号振幅一定时，输入叉指换能器所激发的声表面波幅值取决于外加电信号频率与叉指换能器机械谐振频率的关系，即二者频率相同时，所激发的声表面波幅值最大；二者频率相差很远时，所激发的声表面波幅值最小。,同理，对于输出叉指换能器而言，当传输频率与输出叉指换能器机械谐振频率相同时，所激发的电压最大；而二者频率相差甚远时，所激发的电压最小。相应的换能器，从而实现滤波特性。,叉指换能器的机械谐振频率是由叉指电极几何形状（如叉指宽度、叉指间距和叉指重叠部分长度等）所决定的。显然，通过选择电极的几何尺寸，就可以得到与特定频率相应的换能器，从而实现滤波特性。,（二）声表面波残留边带滤波器的电性能,利用声表面波滤波器可以获得电视发送要求的中频残留边带滤波特性，可以获得要求的幅频特性，保持线性的相频特性。,1,振幅频率特性,声表面波中频残留边带滤波器的振幅频率特性，由于它的矩形系数可以做得较好，故在中频载频,f,IF,+1.25MHz,和,f,IF,-6.5MHz,处，其衰减量可达,30dB,，,而远离通带的频率处，其衰减量则可达,50d B,以上。但在通带内，由于声表面波传播过程中出现的各种反射而引起的带内振幅波动，将达士,(0.3,0.5)dB,。,2,群时延频率特性,声表面波中频残留边带滤波器的主要优点之一，就是相位频率特性好。采用这种残留边带滤波器，在整个通带内具有线性的相位频率特性，其群时延频率特性在通带内是平坦的，且无需补偿。但在通带内同样存在有群时延波动，通常为,(30,50)ns,。,不过，这对图像传输质量来说，影响是不大的。,3,插入损耗,声表面波残留边带滤波器的插入损耗，主要表现在两个方面：一是声表面波在传播过程中，仅有一半是有用的，另一半被吸收材料吸收，其插入损耗为,6dB,；,另一方面，在两个叉指换能器的电一声一电转换过程中，其转换效率总是小于,1,的，必然也带来一定的损耗；,此外，还存在着传输损耗及失配损耗等。于是，一般声表面波残留边带滤波器的插入损耗将达,14,20dB,。,插入损耗大将成为声表面波残留边带滤波器的主要缺点。对此，为了不因由此而影响整个通道的增益和信杂比，一般需在声表面波残留边带滤波器之前，增设中频宽带放大器来加以弥补。,4,三次回波,三次回波是指主声表面波到达输出叉指换能器时，由声转换成的电信号又将其一部分转换为声表面波向输入叉指换能器端传播，且达到输入叉指换能器后，又以相应的形式被反射到输出叉指换能器，形成了三次回波。,同样道理，还会形成五次、七次,等奇次回波。但这些奇次回波与三次回波相比，它们要小得多，所造成的影响将微不足道，因此真正有影响的还是三次回波。,三次回波的影响，将会使图像造成重影，降低图像质量。对此，除在器件设计时采取措施之外，在电路上还须设法加以抑制，以减弱三次回波对图像质量的影响。通常所采用的方法，就是使电路处于失配状态来达到的。,这种方法是以增大插入损耗为代价的，故在实际应用中应权衡三次回波抑制与插入损耗两方面的要求。这也就是说，只有在抑制三次回波符合要求的情况下，其插入损耗才是有实际意义的。,5,直通,在声表面波残留边带滤波器中，输入和输出两叉指换能器之间，由于分布电容的存在，将会使加于输入端的电信号未经电声转换而直接藕合至输出端，从而形成了一种直通信号。,这种直通信号与主信号相比，在传输时间上将超前主信号一定的时间，反映在图像画面上也同样会造成重影，影响图像质量。为此，除在电路设计时应给以注意外，在输入端和输出端之间应采取良好的屏蔽措施等，以减小这种直通信号的影响。,声表面波残留边带滤波器，不仅可以获得符合要求的振幅频率特性，而且还可以获得线性的相位频率特性，这是它的突出优点。,存在的缺点，主要是插入损耗大，三次回波和直通信号如处理不好将会对图像质量造成影响。然而，随着声表面波滤波器的发展，制造工艺的改进和提高，一代低插入损耗的声表面波滤波器即会出现，这就会使得声表面波残留边带滤波器的应用更加广泛，电路更加简单。,