0.2 模拟电视简介

模拟电视指从图像信号的产生、传输、处理到接收机的复原，整个过程几乎都是在模拟体制下完成的电视系统或电视设备。
模拟电视使用模拟信号传输图像和音频，模拟信号的幅度、相位和频率分别表示图像的亮度、颜色和声音。
模拟电视的优点：
- 模拟信号没有经量化处理，分辨率在理论上可以达到“无限制”（前提是传输距离不能过远）
模拟电视的缺点：
- 模拟信号在可能值的连续范围内变化，较易引入电子噪声和干扰。
- 色度畸变、亮色串扰、大面积闪烁、清晰度低等。

模拟电视系统

模拟电视系统是一个包含视频信号采集输出、编码、传输、解码、还原显示的系统，其框图如下：
模拟电视系统中的显示终端（电视）基本上采用CRT显示，因此也称作CRT电视。一般情况下，CRT电视作为一个整体，包含了RF de-modulation、Analog decoding、CRT display三个部分。

模拟电视信号

随着技术的发展，电视信号从早期的黑白电视信号转变为彩色电视信号，现在又逐渐由数字电视信号所代替。
黑白电视信号：黑白电视信号主要考虑的是影像亮度细节和音频传输的问题。由于电视信号需要即时传送，对设备的信号处理能力要求较高，为了便于传输和处理，信号带宽应该越小越好，因此黑白视频多采用隔行扫描的方式。
彩色电视信号：与黑白电视信号相比，彩色电视除了传送亮度信号还要传送色度信号。为了保证兼容性，在彩色电视信号中须考虑亮度和色度信号的传送方式，以便使黑白电视和彩色电视能分别重现黑白和彩色影像。

模拟电视标准

ITU 于 1961 年定义了相关的模拟信号传输系统（A ~ N）。这些系统决定了扫描线的数量、帧速率、通道宽度、视频带宽等。
常用的可以附加颜色信息的模拟信号编码和传输方式存在以下三种标准：
- 美国 NTSC 系统。
- 法国和前苏联的 SECAM，SECAM 调制方法不同于 PAL 和 NTSC。
- 欧洲和澳大利亚的 PAL，PAL 的颜色编码与 NTSC 系统类似，后期演变称为 PALplus，允许宽屏广播，同时保持与现有 PAL 设备完全兼容。
实际情况下，上述三种颜色编码系统常与模拟信号传输系统组合一起使用。因此，为了完整地描述给定的信号，广播标准名字通常包含颜色编码系统以及传输系统。例如，美国、加拿大、墨西哥和韩国使用 NTSC-M，日本使用 NTSC-J，英国使用 PAL-I，法国使用 SECAM-L，西欧和澳大利亚的大部分地区使用PAL-B/G，东欧的大部分地区使用 SECAM-D/K 或 PAL-D/K 等。
NTSC 常与 525 扫描线标准一起使用，PAL 常与 625 线标准（B、G、D、K、I、N）一起使用，因此，许多人将任何 625/25 类型信号称为 PAL，将任何 525/30 信号称为 NTSC。
模拟电视广播公司通常根据 NTSC、PAL 或 SECAM 的模拟制式把图像和音频进行调频后，然后使用射频调制将信号调制到甚高频 (VHF) 或特高频 (UHF) 载波上。

接收信号

每个国家/地区的电视系统都会在 UHF 或 VHF 频率范围内指定多个电视频道。一个电视频道实际上由两个信号组成：
- 通过幅度调制后，在一个载波频率上传输的图像信息。
- 声音则是在与图像信号有固定偏移（通常为 4.5 至 6 MHz）的频率上通过频率调制来传输的。

显示图像

调制器对视频载波进行解调之后，可以得到一个包含亮度、色度和同步信号的复合视频信号。
阴极射线管 (CRT) 可以将该复合视频信号还原为图像。
CRT 是最原始的电子显示技术，包含了电子枪、加速系统、偏转系统、涂有荧光物质的显示屏等基本组件，被广泛运用于模拟电视系统中。其技术本质如下：
- 内部有一个（黑白电视通常一个）或多个（彩色电视通常三个）电子枪。
- 电子枪会发射电子束，电子束会在加速电场的作用下加速。
- 电子束轰击屏幕内侧的荧光涂料，可以产生直径略小于1mm的光点而发光，发光的亮度取决于电子束的速度，即加速电场的强度。
- 加速电场的强度由输入的视频信号控制，因此可以还原视频。
- 电子束在每行结束时，返回到下一行的开头；在最后一行的末尾，电子束返回到屏幕顶部第一行的开头。即光栅扫描。
- 电子束通过偏转系统产生的磁场来移动，电子枪是不会移动的。
- 在偏转系统的控制下，可以分时点亮屏幕上所有的区域，因为扫描的速度足够快，呈现给人眼的就是一张完整的图像（人眼视觉暂留原理）。重复该过程，并显示下一个连续帧，图像就动起来了。
- 彩色电视系统与此类似，只是有三个电子束一起扫描，并且由一个称为色度的附加信号控制点的颜色。

光栅扫描

光栅扫描是从左到右、从上到下进行的。在模拟电视系统中，既用于图像的采集，也用于图像的显示，如下图:

扫描线（Scan lines）和分辨率（Resolution）

在光栅扫描的水平方向上，并没有分辨率的概念，整个水平方向上的一行，称作一个扫描线（Scan line）。
对模拟的CRT显示来说，只需要根据显示器的特性（水平方向有多长），将一行的模拟信号 map 过去即可。
当每一行扫描结束的时候，电子束需要在水平偏转磁场和垂直偏转磁场的偏转作用下，回到下一行的起点（这个过程称作回扫），这中间不允许采集信号，因而每一个扫描线之间，是不连续的。也就是说，光栅扫描在垂直方向上有分辨率的概念，即多少个扫描线（Scan lines）。

回扫（Horizontal/Vertical retrace）

电子束从左向右扫描完一行后，需要在水平偏转磁场的作用下快速移回到最左边，并在垂直偏转磁场的作用下，向下偏转一个scan line，以便扫描下一行。同理，电子束从上向下扫描完一帧后，也需要在垂直偏转磁场的作用下快速移回到屏幕开头。因此，水平和垂直两个偏转磁场，实际上是一个周期性的锯齿波，如下：
斜率为正的上升期，称作正扫描，电子束将会从左向右（或者从上向下）偏转。斜率为负的下降期，称作回扫（retrace），电子束将会从右向左（或者从下向上）偏转。
由于回扫的过程中不能采集（或者输出）信号，因此需要关闭电子束，称作 blank（Horizontal/Vertical balnk）。回扫结束后，需要重新打开电子束，称作 unblank。
CRT 的物理原理要求电子束须在有限的时间间隔内移回到下一行的开头（水平回扫）或屏幕的开头（垂直回扫）。模拟信号的时序必须满足这一点。

前肩（front porch）和后肩（back porch）

回扫开始的时候需要 blank 操作，即关闭电子束的发射。在模拟电子的世界里，关闭电子束的发射，其实就是将激发电子束发射的电压从高电平降到一个较低的电平（接近零，通常称为黑电平），但下降的过程是需要时间的，因此：在电平降到一个安全的值之前（电子束不再发射），不能开始回扫。
有效的视频信号必须要在回扫开始前结束（即上图中 t2 处），从有效视频信号结束（每一行的末尾，即上图中 t2 处）到回扫开始（下一行的水平同步脉冲前沿之间，即上图中 sync 前沿）的那一段时间（大约1.5微秒），称作前肩（front porch），这一段时间也是 blank 操作所需的时间。
回扫也是需要时间的，即上图中 sync（水平同步脉冲持续）的那一段时间。
回扫完成后，unblank 操作时，电平从接近零值上升到正常值（可以发射电子束，上图中的第二个 t1 处）也需要一定的时间。从回扫完成后（该行的水平同步脉冲结束，及上图中 sync 后沿）到有效视频开始（即图中的第二个 t1 处）之间的那一段时间（大约4.7微秒），称作后肩（back porch）。在 back porch 的这一段时间内，视频信号也是无效的。
综上所述：视频信号的有效范围，是上图中 t1 到 t2 的范围，一般称作xres/yres；视频信号的无效范围，是上图中 t2 到 t1 的范围，包括 front porch、sync len 和 back porch（水平或者垂直方向上），一般称作 blanking interval（Horizontal/ Vertical blanking interval）。

同步信号的产生

采集到的图像在发送之前，需要经过 Analog encoding，而图像是不包括前后肩（front/back porch）信息的。因为前后肩的值和具体系统的编码器有关。
从时间轴上看，视频信号是不连续的，每一行的有效信号之后，会有一段 horizontal blanking interval，每一帧的有效信号之后，会有一段 vertical blanking interval。
编码器利用这些空隙时间，传递了一种特殊信号—同步信号，用于告知接收端每一行以及每一帧视频信号的开始和结束。

视频信号的结构

图像的每一行都使用下图所示的信号进行传输。 PAL、NTSC 和 SECAM 电视系统使用相同的基本格式（时序和颜色编码有细微差别）。单色信号与彩色信号相同，只是不存在下图中所示的 color burst 和色度信号。

亮度信号

复合视频信号的亮度信号在（黑电平 ~ 黑电平 + 0.7 V）之间变化，PAL、NTSC 和 SECAM 系统有细微的差别。

色度信号

想要通过复合视频信号传递图像的色度信息，即 RGB 信息，得考虑以下条件：
- 与单色接收器的兼容性
- 传输系统的带宽
由于以上条件的限制，一般将 RGB 信号转为 YUV 的形式，其中，Y 信号代表图像的亮度，U 和 V 信号是色差信号，U 信号为 B 信号与 Y 信号之间的差异，V 信号为 R 信号与 Y 信号之间的差异。该方案的优点是，当图片没有颜色内容时，U 和 V 信号为零；可以以较少的带宽来传输 U 和 V 信号，因为人眼对亮度的细节比颜色更敏感。
在 NTSC 和 PAL 彩色系统中，U 和 V 使用子载波的正交幅度调制来传输。这种调制将两个独立的信号应用于一个子载波，其思想是两个信号将在接收端独立地恢复。对于 NTSC，子载波为 3.58 MHz。对于 PAL 系统，子载波为 4.43 MHz。
在 SECAM 电视系统中，U 和 V 在交替线路上传输。

同步

同步脉冲可以确保接收器中的扫描振荡器与传输信号保持同步锁定，以便接收器在屏幕上重建图像。
同步分离器电路通过检测同步电压电平将脉冲分类为水平同步脉冲和垂直同步脉冲。

水平同步

水平同步用于分割每一条扫描线。
水平同步信号是单个短脉冲，指示每行的开始。扫描线的其余部分紧随其后，直到下一个水平或垂直同步脉冲。
前肩（front porch），水平同步脉冲（horizontal sync pulse）和后肩（back porch）共同组成水平消隐间隔（horizontal blanking interval）。