色同步通道的工作过程

🏠 首页 《无线电》杂志 1986年 🔗 第2期 🔗 第36页 分类:其它 🔗 关怡 🔗

在彩色电视技术中,为了传输图象的彩色信息,采用了能够产生自然界中所有大部分颜色的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)作为三基色,这样就可以大大简化彩色电视信号的传送。在电视广播中,为使彩色信号中的干扰不影响图象的亮度,实际传输的并不是三个基色信号。而是两个色差信号和一个亮度信号。即,红色差信号R—Y、兰色差信号B—Y和亮度信号Y。由于色差信号和亮度信号一样,都是视频信号,需要同时传输,而且要保证黑白接收机和彩色接收机能够互相收看(即彩色电视广播能被黑白电视接收机所接收,显示黑白图象;彩色电视接收机也能接收黑白电视广播)。为此,在信号传输中又采用了频谱交错的办法,以使它们共用6MHz的带宽而不互相干扰,这就要求将代表彩色的色差信号带宽压缩到1.3MHz,并进行频率搬迁,将色差信号置于亮度信号频带的高端。最后形成彩色全信号。这个过程如图1(a)~(f)所示。图中,把色差信号挪到彩色全信号频带高端的方法是用色差信号调制一个频率为4.43MHz的正弦波(称为副载波)。由于色差信号是两个,而副载波却只有一个,若用一般的调幅方法使两个色差信号同时调制一个副载波,则必然造成调制后的信号的互相干扰。所以在彩色电视广播中是用平衡正交调幅的方法,即令两个色差信号去分别调制频率都是4.43MHz而相位却是互相垂直的副载波(二者相位差90°,称为正交)。调制后的两个已调色差信号的相位相差90°,互相垂直(即正交),这样就不会互相干扰了。同时,为避免引入副载波后对亮度信号的干扰,调制后的已调波又需要抑制掉副载波(即平衡调幅)。这就是色差信号对副载波的平衡正交调幅的调制方式。

图1
图1 🔍原图 (855×1220)

正是由于色差信号对副载波的调制方式是平衡正交调幅,与一般调幅波不同,所以在彩色接收机中要从彩色全信号中分离出两个色差信号就必须用所谓同步解调的方法,而不能用一般的振幅解调(振幅检波)。由于实现同步解调的关键是必须有原来调制时所用的副载波,而电视信号中又没有传输副载波,所以,彩色接收机只好自己产生(或者说恢复)这种副载波,而且还必须严格与原来的副载波同步。

为使接收机恢复的副载波能与发送端调制用的副载波同步,电视台必须给出一个作为副载波代表的标准参考信号,这就是色同步信号。色同步信号是对发送端所用副载波经过断续取样得到的,即每一行时间取出8~10个周期的副载波,然后把它安置在行消隐信号的后肩上,与行场同步信号、消隐信号、图象信号等共同构成彩色全电视信号后播出。在接收机中接收到全电视信号后再分离出这个色同步信号作为参考标准,去同步接收机自己产生的副载波,使之与发送端一样。这个过程也叫色同步锁相过程。彩色电视接收机中产生副载波并使它与色同步锁相的全部电路叫做色同步通道。它是整机电路中极其重要的组成部分,这部分电路中信号的相位关系比较复杂,是值得讨论清楚的。

如前所述,两个色差信号调制后是彼此相差90度(正交)的。其中蓝色差信号所调制的副载波是零度,且不倒相称为基准副载波。红色差信号所调制的副载波则复杂些。由于我国彩色电视制式是平衡正交调幅逐行倒相制(通常称PAL制),要求调制后的红色差信号逐行倒相,即一行为90度,下一行为270度,再下一行又为90度……如此持续下去。做到这一点的一种方法就是使被红色差信号R—Y调制的副载波(注意,它应与基准副载波差90度)逐行倒相,亦即一行为90度,下一行为270度,再下一行又为90度……。

前面已经提到,色同步信号是对发送端所用副载波经过断续取样得到的,去同步接收机自己产生的副载波,使之与发送端一样,因而色同步信号应当代表副载波的相位,这就要求它即要代表基准副载波的相位(零度),又要代表逐行倒相副载波的相位(90度、270度……逐行变化)。在电视技术中,为了减小色同步信号在行消隐期间造成的干扰,用色同步信号表示基准副载波的相位时,色同步信号并不用零度,而是用180度,即用180度的色同步信号相位代表基准副载波的零度相位。这样,色同步信号就应同时表示两个相位信息:用180度表示基准副载波的零度相位,同时用90度或270度表示逐行倒相的副载波的相位。为了能够更清楚说明这个问题,让我们结合图2来说明。在图2(a)中,画出了不倒相行时副载波的波形和它们的矢量相位关系。图中矢量长度表示信号大小,基准副载波(零度),不倒相行时红色差信号所调制的副载波为90度,要使不倒相行色同步信号同时表示这样两个相位(90度和零度,零度用180度表示)只有一个办法,即令色同步信号的相位为此二者的合成相位,取90度和180度两矢量的几何和,得到合成相位为135度,见图中的矢量和。或者说,135度的色同步信号如分成两个互相垂直且相等的分量,必然一个为90度,一个为180度。因此,它也就同时代表着90度和180度的两个相位。

图2
图2 🔍原图 (905×949)

同理,在倒相行,要代表基准副载波和倒相副载波二者的相位(零度和270度),色同步信号就应为180度和270度的合成相位225度,见图2(b)。所以,在不倒相的一行,色同步信号的相位是135度,而倒相的一行,色同步信号的相位是225度。结果,色同步信号的相位是:一行135度,下一行225度,再下一行又是135度,然后又是225度……,它们在180度上下逐行摆来摆去,故称为摆相的色同步信号。

有彩色接收机的色同步通道中,为使本机的副载波与发送端色差信号调制时所用的副载波一致,要使本机副载波与色同步信号所代表的相位锁定,这个过程主要靠以鉴相器为中心的锁相环路,所以鉴相器是它的核心。下面我们以用得最多的双二极管负型鉴相器为例,来说明这部分电路中信号的全部相位关系。

鉴相器有两个输入信号:色同步信号u\(_{1}\)(t)和本机晶振产生的副载波信号u2(t)。它们经鉴相器电路进行相位比较。其相位间的差别变为误差电压输出。该误差电压经滤波后去调整晶振的频率,使之与色同步信号锁相。负型鉴相器的原理电路和等效电路如图3所示。鉴相过程可分两步简述如下。

图3
图3 🔍原图 (879×735)

1.假设鉴相器只有色同步信号u\(_{1}\)(t)输入,而没有晶振副载波,即u2(t)=0。相当于等效电路中P点对地短路,同时设u\(_{1}\)(t)的方向如图所示。由等效电路可以看出,在u1/2的正半周时,D\(_{1}\)、D2导通,此时u\(_{1}\)/2分别对电容C1、C\(_{2}\)充电,充电电流的方向见图示。因电路中的元件全部对称,故充电电流相等,C1、C\(_{2}\)上的充电电压uc1和u\(_{c2}\)的数值也相等,方向见图示。其充电时间常数近似为RD1C\(_{1}\)、RD2C\(_{2}\)(RD1、R\(_{D2}\)分别为D1、D\(_{2}\)正向导通电阻,其阻值很小)。当u1(t)反向,D\(_{1}\)、D2不导通,C\(_{1}\)和C2上的电压u\(_{c1}\)和uc2将放电,放电电流分别流过负载R\(_{L}\),其路径见图示。可见,uc1和u\(_{c2}\)在RL上产生的放电电流大小相等,方向相反。R\(_{L}\)上输出的误差电压为零。放电时的时间常数近似为R1C\(_{1}\)、R2C\(_{2}\)。显然,放电时间常数远远大于充电时间常数,即R1C\(_{1}\)》RD1C\(_{1}\);R2C\(_{2}\)》RD2C\(_{2}\)。所以,电容C1和C\(_{2}\)充电快,放电慢,这样在C1和C\(_{2}\)上就一定会有残存的平均电压。由图可见,C1上的电压对D\(_{1}\)是反偏,C2上的电压对D\(_{2}\)是反偏,所以在工作中只有当u1/2(正半周时)的数值大于此反偏时,才会使D\(_{1}\)、D2导通,或者说,只在u\(_{1}\)(t)的正峰值附近的一段时间内C1、C\(_{2}\)才会充电。这是一个很值得重视的结论。

2.色同步信号u\(_{1}\)(t)和晶振副载波u2(t)同时存在时,由图可见,这时C\(_{1}\)、C2的充电将和u\(_{1}\)(t)与u2(t)之间的相位关系有关,即由它们的合成电压充电。但因u\(_{1}\)(t)远远大于u2(t),故D\(_{1}\)、D2的导通仍然是只在u\(_{1}\)(t)的正峰值附近才导通。而这两个电压之间的相位关系在锁定之前是相当复杂的。为分析方便起见,我们先研究一个特例,即假设u1(t)与u\(_{2}\)(t)的相对关系如图4所示。其中不倒相行时色同步信号的相位为135度,见图4(a);倒相行时色同步信号的相位为225度,见图4(b);它们的相位平均值为180度(由矢量合成法很容易得知)。而我们假设u2(t)的相位如图4(c)实线所示,请注意,u\(_{2}\)(t)在相位上是滞后于色同步信号平均相位(180度)90度的,或者说,所设u2(t)相对于180度来说是-90度,这由图4(d)曲线可以看得很清楚。

图4
图4 🔍原图 (888×1019)

根据上文得到的结论,即D\(_{1}\)、D2只u\(_{1}\)(t)正峰值附近才会导通,使C1、C\(_{2}\)充电。不难从图4的u2(t)与u\(_{1}\)(t)波形对应看出:当ul(t)为135度时,对应着u\(_{2}\)(t)的①~②、③~④、⑤~⑥……期间D1、D\(_{2}\)导通,u1(t)与u\(_{2}\)(t)的合成电压使C1、C\(_{2}\)充电。u1(t)峰值过后,电容器放电,鉴相器输出为负值;而当u\(_{1}\)(t)为225度时,对应着u2(t)的A~B、C~D、E~F……期间D\(_{1}\)、D2导通,u\(_{1}\)(t)与u2(t)的合成电压使C\(_{1}\)、C2充电。u\(_{1}\)(t)峰值过后,电容器放电,鉴相器输出为正值。在这种特例情况下,C1、C\(_{2}\)充电的正负值刚好相等,见图4(c)中的阴影面积。即鉴相器的输出误差电压为零。这时晶振不受误差电压调整、频率固定。这正是u2(t)被u\(_{1}\)(t)锁定的情况。不难理解,如果u2(t)的相位不是这样,则在负载上必有误差电压输出,该误差电压送至晶振电路中的变容二极管,改变其电容量,就能改变晶振的频率,频率改变必然相位改变,即u\(_{2}\)(t)频率相位受误差电压调整,直至改变成上述u1(t)、u\(_{2}\)(t)的相位状况,使鉴相器的输出为零时止,这正是上述锁定的情况。由图4(a)、(b)、(c)可见,这种锁定后的状态肯定会使晶振副载波的频率与色同步信号完全一致,即恢复的副载波与原发端的副载波一致。

至此,我们便可以得出结论;在采用负型鉴相器的情况下,欲使送入鉴相器的本机副载波与色同步信号的相位锁定(相位关系固定,则频率必然相等),必定是本机送入鉴相器的副载波相对于色同步信号平均相位为-90度。要特别指出一点,如果图4中u\(_{1}\)(t)的相位为+90度,也会得出上述结果,但这种情况是锁相环路的不稳定状态,色同步信号与u2(t)是不能锁定的。由于这涉及到更复杂的锁相理论问题,这里就不能多讨论了。

解决了这个问题,整个色同步通道的全部相位关系便可应刃而解了。在图5中画出了某彩色电视机色同步通道的锁相环路部分方框图,下边试找出图中各电路前后的全部相位关系:

图5
图5 🔍原图 (846×327)

在图5的带通放大器输入端(即A点处),输入信号为彩色全电视信号,其中的色同步信号相位为135度、225度逐行摆相的(可记作135°/225°),平均相位为180度如矢量图,为了醒目,用箭头表示实际的相位特点。在带通放大器中,有一个晶体管放大级,所以将对信号倒相180度,故带通放大器的输出处B点色度信号中的色同步信号也应相对于A点倒相,即B点的色同步信号平均相位为零度,见图示。色同步选通放大电路也有一只晶体管,选出色同步信号并经放大后又将色同步信号倒相180度,所以C点为色同步信号,其平均相位为180度。图中C点D点为鉴相器的两个输入信号,正如上文讨论过的,在锁定情况下u\(_{2}\)(t)应相对u1(t)为-90度,已知u\(_{1}\)(t)平均相位为180度,所以u1(t)是相对于180度为-90度(相对于零度就是+90度)。所以在图5中,D点用矢量箭头表示u\(_{2}\)(t)的相位时应当箭头向上,见图。D点和E点之间的90度移相放大电路是将E点的输入信号后移90度相位,同时在放大时又由一只晶体管放大倒相180度,故由D点推导至E点,可知E点副载波相位应为零度。见图示(零度后移90度为270度,270度再倒相180度到D点变为90度)。由此可知,图中副载波放大器的输出G点的副载波即为零度的基准副载波。与前文所述发送端兰色差信号调制所用的副载波相位完全一致。它就是接收机中送给B—Y同步解调器的副载波。因图中副载波放大器也有一只晶体管作放大,所以把输入信号也倒相180度,故F点即晶振输出的副载波应为180度。可见,在锁定(同步)时,晶振输出的副载波相位与色同步信号的平均相位一致。

上述G点的零度基准副载波再经过另外一个90度移相电路,就可得到90度的副载波,该90度的副载波再经PAL开关电路逐行倒相,便得到逐行倒相的90°/270°副载波。它供R—Y同步解调器使用。因这部分内容已超出本文范围,故图中也未画出。(关怡)