人类真的想象不出从来没见过的东西吗?

人类真的想象不出从来没见过的东西吗?

老年DLCZMU,贫病的传达室老年痴呆门卫死踢欧

这个高赞回答下面的评论,已经凸显了想象是困难的(当然,也包括记忆的失真),我做个科普:

图片中的电视机,属于 CRT(Cathode Ray Tube 阴极射线管)电视机中较新的款式 - 彩色电视机。

CRT 的原理:

阴极(Elctron gun 电子枪)发射的电子束发射出来之后,通过偏转线圈形成的磁透镜聚焦。

阳极做成栅网状(Shadow mask 荫罩),电子束会有部分电子穿过栅网轰击到阳极后面的荧光粉涂层(Phosphor),让对应荧光粉发亮。

彩色电视每个像素都分为红绿蓝(三原色)三种颜色的区域,各有能够发出红绿蓝的荧光粉。

同时,给偏转线圈通过周期性的电流史使磁场周期性的改变,从而让电子束在屏幕上进行周期性扫描。

其中行偏转线圈操纵电子束水平方向扫描,称之为行扫描。

场偏转线圈操纵电子束垂直方面扫描,称之为场扫描。

此外,彩色显像管有红绿蓝三个电子枪,聚焦之后,穿过栅板的孔之后,刚好射到到每个像素的红绿蓝(三原色)三种颜色的区域,分别激发各个像素的红绿蓝三色的荧光粉发光。

电子枪的原理:

电子枪主要由阴极灯丝组成,阴极灯丝在通电之后温度升高,电子的动能增大可以脱离原子的束缚,从而产生自由电子,自由电子通过电子枪中的聚焦极聚焦并经过电子枪的阳极进行加速形成聚集的电子束。

电子枪是要提前加热的。所以,以前的电视在开机之后,不会马上亮起来。因为电子枪需要等阴极的温度升上去之后,才能发射电子。所以,需要一个预热的时间。

不同于于日光灯等等可以简单的采用钨丝做阴极,电子枪需要阴极在小小的面积上有很强的电子发射能力,蒸发小、电子逸出功低、释放气体少。

钨丝虽然在高温下也有很小的逸出功(依靠发热的钨丝直接发射电子的阴极叫做直热式阴极),但是在高温下钨丝会升华,灯泡变黑,就是钨丝升华之后在灯泡避再结晶产生的。这对 CRT 的电子枪来说是不可接受的。

所以电子枪的阴极采用钡碳酸盐、钪酸盐、硼化镧、六硼化铈、钍和铼等等材料,这些材料不需要很高的温度就能有很强的发射能力,这种温度可不会有升华发生。

当然这些材料不导电,无法自己发热,所以,只能做成旁热式阴极,通过另外的电热丝来加热。

因为电视机是采用旁热式的阴极,阴极本身不发热,需要另外的电热丝发热来加热,所以热量有一个传导过程,加热时间较长。

所以,

开机之后,需要等待一段时间屏幕才会慢慢的亮起来。

其实,刚开机的时候,屏幕是黑色的,需要若干秒的预热时间,这个问题在当年是不算什么了。

在更早的电子管时代,真空二极管整流能力有线,大功率的机器(比如有线广播的功率发大器)用的是水银整流器。这是一个密封的铁罐,下边底部盛着水银,就是阴极,上边顶部装有阳极,在阳极和阴极之间(接近水银)有栅极,也叫引弧极,阳极和栅极都经玻璃绝缘子引出。在阳极加有正电压时,由栅极触发,触发后,栅极至阴极形成一小电弧,小电弧在阴极面形成弧斑,弧斑具有极强的发射电子的能力,促使阳极至阴极导通,电流过零时熄灭。它的工作情况和可控硅非常相似,不过它的栅极触发可不像可控硅那样省电,它的触发功率有上百瓦,电压也要 2~3 百伏。

要让水银整流工作,需要让水银蒸发成水银蒸汽并且压力足够之后才能正常工作,其原理,消耗的预热时间,都跟高压水银灯类似,以分钟计。

所以,以前的人们已经习惯预热了。

当然,随着生活水平的提高,用户的要求也越来越高。

若干秒的预热时间的体验也是不好的。

后来有部分电视机为了节省这个时间,做了一个待机模式。

在待机模式,其他部分停止供电,但是对给电热丝进行持续供电。当然,因为电子枪有寿命,不能太长时间处于高温下,否则会过快老化,所以待机模式的给电子枪的供电电流小于正常工作时,但是阴极的温度已经比冷态的时候高很多了,这样一开机,电热丝恢复正常状态的供电,阴极很快就能加热到工作温度从而发射电子,让图像显示出来了。

有遥控器的电视机,都是有待机模式的。在待机状态,电热丝是处于预热状态的,遥控接收头、CPU 等也是处于供电状态(当然,这个耗电不是很大)。

当然,现在用 LCD 做的电视机,不需要预热,当然一开机就马上开马上有显示。

模拟电视的原理:

通过摄像头拾取的 Red\Green\Blue(红、绿、蓝)信号输入模拟加法器、减法器(具体电路就是就是运算放大的加法器接法、减法器接法,我懒得画图了)进行运算,得出色差信号 G-Y,B-Y,R-Y

由于对任何频率的颜色,绿色分量对亮度的贡献最大,G-Y 的值相应地最小。显然在信号传送过程中,传送一个小信号对改善信噪比不利,因此工业上选择色差值相对较大的 B-Y,R-Y 两个色差信号以及亮度信号作为传送信号,而不选择 G-Y。

因为人眼对亮度差敏感,对色度相对不敏感。

为了节省传输带宽,让色差信号通过 0~1.5MHz 的低通滤除其高频成分。然后把 0~1.5MHz 的 B-Y 同 R-Y 两个色差信号作为调制信号,采用相位垂直的振幅调制(quadrature amplitude modulatio 正交振幅调制)在色度副载波上(PAL 制的色度副载波频率是是 4.43MHz,NTSC 制是 3.58MHz)。

然后再对 0~6MHz 的模拟亮度信号,通过 4.43MHz 陷波器,滤除 4.43MHz 频率附近的成分,然后叠加上调制了色度信号的色度副载波。

再加上视频信号加上行同步、场同步、行消隐、场消隐,色度副载波,这样就变成了 CVBS(CompositeVideo Broadcast Signal 复合电视广播信号),再用电视台把模拟的音频信号作为调制信号,对射频载波信号进行调幅调制(AM-Amplitude Modulation),再音频信号对这个载波调频调制(FM-Frequency Modulation),然后用同轴电缆(如果距离远,也有用微波中继的)传到电视塔,然后在电视塔的放大器上做做差转功率放大(用差转不同同频的原因是怕同频差拍干扰)上发射出去。

电视塔发射的信号,到了用户端又用逆流程接收下来。

还原成 CVBS 信号同音频信号。

然后再 CVBS 信号里面提取出色度副载波同亮度信号,并且分离出场同步头、行同步头对驱动偏转线圈的场扫描信号、行扫描信号进行同步。

并且把色度副载波进一步解调出色差信号,然后把色差信号同亮度信号进行逆运算,算出 R\G\B 信号,再用 R\G\B 信号分别驱动 R\G\B 三个电子枪。

因为人眼对亮度差敏感,对色度相对不敏感,为了节省传输带宽,色度多用了一次对干扰敏感的 QAM 调制。

所以,

色度信号对干扰更敏感。

当信号不好时候,色差信号会解调出一堆白噪音跟甚至解调不出来,用户看起来就是电视图像会变成黑白的。

注意,这里的白噪音是指是一种功率波长谱密度为常数的随机信号,因白光的光谱特性得名,跟颜色本身无关。

这时候,亮度信号中也会混杂者大量的噪波点,看起效果就是尽是雪花点。

信号进一步差下去,会导致同步头解调不出来,导致图像失去行同步同场同步。

出去场同步的效果就是图像上下滚动。

失去行同步的现象就是图像出现斜纹。

因为 CVBS 信号是 AM 调制,音频信号是 FM 调制。

因为 FM 幅度恒定不变,抗快衰落能力,利用自动增益控制和带通限幅可以消除快衰落造成的幅度变化影响,所以 FM 抗干扰(含噪波)能力比 AM 抗干扰能力强。

所以,电视伴音的抗干扰能力更强。

图像很多雪花点,可能伴音还是正常的。

当然,FM 的信噪比载噪比是非线性的,一旦载噪比低于阈值,信噪比会迅速恶化。

所以一旦模拟电视的图像质量差到几乎淹没在雪花点中的时候,音质会迅速恶化变成全是噪音。

当然,有的电视做了一个检测,发现检测不到“有效信号”的情况下,用开关三极管把音频信号短路到底 - 这个功能叫做静音(mute)。

但是,如何判断是噪波还是信号,在数字时代可以靠特征识别,但是在模拟时代没有这个条件,是困难的,所以自动静音的机制场场未必有效。

所以,往往在信号非常差或者没有信号的情况下,喇叭就是剧烈的沙沙声这才是通俗意义上(非专业意义上)白噪声(可以听到的噪声)。

所以,

在收不到有效信号的情况下喇叭就是剧烈的沙沙声:

为了尽可能的提取到有效信号,我们会尽量把原始信号放大。

但是,这会带来另外一个问题,就是把噪音信号一起放大了。

为了避免把噪音一起放大,需要提高系统的选择性。1、选择性有什么用?

回答这个问题之前先介绍选择性是什么?

选择性就是通带之外信号相对通道之内的信号的衰减程度。

一般的通带,距离通带越远的信号,衰减越厉害。

可以用几种参数来描述选择性。

以 AM 波段收音机为例,可以用 +/-9kHz 衰减描述,也可能用 -6db 带宽,-20db 带宽来描述,这个参数叫做 BW

前者是信号衰减到 -6db 以内带宽是多少,后者信号是衰减到 -20db 以内的带宽是多少。

选择性可以防止自己不想接收的信号串如系统,还能降低噪声。

电子系统中噪音的来源跟种类很多,我以最简单也是最无解的热噪声为例。(因为这东西是物理原理决定的,不取决于半导体工艺)

热噪声是一种白噪声,对于白噪声来说,噪声功率跟带宽成正比。

很多从业者没弄懂这个原理,看到公式中有个根号以为是噪声跟带宽的平方根成正比。

公式中带根号的原因是因为电压更好测量,而在阻抗不变的情况下,电压跟功率的平方根成正比。

严格的表述是噪声功率跟带宽成正比,噪声电压跟带宽的平方根成正比。

其他噪音虽然特性不同,但是也是带宽越小,噪音越小。

2、选择性跟什么相关?

跟品质因素相关。

SAWF(Surface Acoustic Wave Filter 声表面波滤波器)器件成熟并流行起来之前,单一带通滤波器跟频率特性是很简单的单峰特性

红色线是频带特性曲线,绿线是谐振频率 F0。

所以,Q(品质因数)=F/F-3db(我不知道怎么在网上写下标,不知谁能教教我)

其跟谐振时震荡的阻尼比相关。

谐振时震荡的阻尼越小,则品质因数越高。

所以,我们在制作中周滤波器的时候,也要尽量通过选择介质损耗小的磁芯,并且精心设计磁芯的磁力线回路、绕组工艺,设法提升线圈的感抗、降低线圈的阻抗(线圈的品质因数=感抗 / 阻抗)

同样的道理,相比一般的弹簧振子,石英晶体因为其弹性模量大(刚性模量 31000Mpa 杨氏模量 72000Mp),做弹性运动时的介质损耗又小,所以其品质因数也特别高。

3、选择性跟频率的关系:

从上面的公式我们可以看到,频率在分子分母中都有,被抵消了,所以,品质因素是一个无量纲参数.

那么 BW-3db=F/Q

很明显:

F 越小,BW-3db 越小,带宽越窄。Q 越大,带宽越窄。

所以,在 Q(品质因素)确定的情况下,F(频率)越小,选择性越好。

但是,频率越低,发射效率越低。

这其中牵涉到原理比较多,比如,电偶极辐射的功率正比于电偶极振荡频率的四次方。(这个公式比较复杂,我不会在网上打公式,贴图吧)

此外,频率越低,波长越长,天线的特征尺寸也越大。

所以,射频射频,是用来发射的频率,频率不适合太低。

4、因为射频的频率太高,所以需要变成频率更低的中频来解决选择性的问题。

射频在各自的系统中,一般是指高频(相对各自系统的中频、基频而言)。

5、系统常需要在较大范围内选择某个频率的信号接收:

在模拟电路时代,是没有时分多址、码分多址等等技术,只有类似频分多址技术频道概念。

那么,就需要射频部分的调谐。

注意,窄带滤波器(无论是以前的中频变压器也好,还是陶瓷滤波器、SAWF 也好),

6、高品质因数滤波器谐振频率的调整范围极小,

甚至几乎不可调。

此外,对于需要把射频变成固定的中频来达成较好的选择性。

所以,长波收音机甚至采用了比射频更高的中频。

所以,无论是频率高至 20 多兆的短波,还是频率去到 1 兆多的中波,还是频率低至一百多 K 的长波,都是如下结构

RF 是射频,OSC 是本振,MIX 是混频,IF 是中频,BPF 是高品质因数带通,后面接着基带(BF)有些廉价产品会用本振级兼做混频,称之为变频。

原理讲清楚了,

案例分析1、无中频案例

@Studio TBsoft

举例的 PJ-80 普及型短距离 80m 波段测向机,这是一个 3.5MHz—3.6MHz 的 CW80M 波段测向机,这是属于业余无线电短波波段的最低频段。

因为频率比较低,更关键是不需要在较大的频率范围内选择某个频率接受,所以可以不用中频。

2、兼顾平坦度案例:

我们前面介绍了,BPF 的品质因素越高,选择性越好。

我们知道,石英晶体的品质因数极高,那么,可以获得极大的带外衰减,是否可以用石英晶体来或者良好的选择性。

但是,对于调幅的模拟通讯来说,基带中的不同频率对应中频中的不同频率,为了保持基带输出的频率特性的平坦,我们对 RF\IF\BF 三个部分,都有另外一个需求,带内平坦度。

就是说,在通带内,需要保持频率特性的平坦。

所以,我们会把多个谐振频率有轻微差异的 BPF 组合起来,既增大了带外衰减,又保证了带内的频率特性的平坦度。

比如,我们用分别调谐到三个频率的三个 BPF(频率特性分别如图中红、绿、蓝三条曲线)串联起来,就能得到如黑色曲线的频率特性。

而石英晶体尖锐的频率特性,是做不到这一点的。

BF、同 RF 都无需搞品质因数 BPF,所以没这个需求。

注意,品质因素跟品质是两个概念。这个不赘述了

3、极窄带应用

对于数据通信,不是 0 就是 1,对于通带内的频率特性平坦度并无要求。

我们前面介绍过,带宽越窄,干扰越小、噪音越小。

根据香农理论,在确定的带宽里面,对于给定的信号 SNR 其传送的无差错数据速率存在着理论上的极限值,从另一个方面来理解这个理论,可以认为,在特定的数据速率下,信号的带宽和功率(或理解成 SNR)可以互相转换

在军事上,在深空通讯中,曾经为了达成极弱信号的接受,采用了极窄的带宽,用极低的码率传输数据。(注意,码率越高,需要的带宽越高).

此外,还有 PSK31,通讯,这一理论成功地使用在传播状态极端恶劣的短波段,在这里具有活力的通信方式比快速方式更有实用意义。它使用极窄的带宽,并且因为她的信号速率总保持在每秒 31.25 比特,所以把这种方式称为 PSK31(Phase Shift Keying, 31 Baud)

国外有用户分享过常用的 PSK31 频段

这种情况下,频率特性极其尖锐的石英晶体滤波器,就可以派上用场了。

以 1.8MHz 通讯为例,如果频率固定,确实不需要中频,用一个 1.8432MHz 的晶振,其选择性足以满足要求。

如果批量采购这样的晶振,每个就是几毛钱

4、多中频案例

从前面介绍的原理我们可以知道,中频越低,选择性越容易做好。

但是,某些系统却不能直接采用较低的中频。

举例来说,12GHz 的 Ku 波段(下行 10.7 到 12.75GHz)的卫星信号接收机。

如果一次变频产生 70MHz 的中频会产生什么情况呢?

根据公式, f I =f L -f S 或者是 f I =f S -f L。

假定想要接收 11GHz 的信号,那么,假定用高本振信号(实践中更多的采用用低本振信号方案,但原理也是是一样的),那么,我们产生 11.07MHz 的的本振,11.07GHz 本振信号同 11GHz 的输入信号混频会产生 70MHz 的中频(11.07-11=0.07)。

但是,11.14GHz 的输入信号,也能跟 11.07GHz 本振信号混频产生 70MHz 的中频(11.14-11.07=0.07)

因为 11.14GHz 这个频率是以本振 11.07GHz 为对称轴跟 11.0GHz 的想要接收的 信号是镜像对称的,所以我们称之为镜像频率。

现在的问题是,11.14GHz 距离 11GHz 这个频率太近了,RF 部分的 BPF 无法把它滤除。

这就造成了中频频率的选择困难,中频频率选择太高,选择性不好。

中频频率选择太低,镜像频率抑制不了。

所以,我们可以采用多次变频的方式。

比如,采用 600MHz 第一中频,这样,哪怕接受 10.7GHz 的信号,本振频率也去到了 11.3GHz,其镜像频率为 11.9。

因为 Ku 波段下行频率 10.7 到 12.75GHz,我们可以在混频之前做一个 10.7 到 12.75GHz 的 BPF,这样 11.9GHz 的信号就进不来了,就没有镜像频率干扰的问题。

然后,我们再通过二次变频,产生 670MHz 的本振信号去跟 600MHz 的信号混频,把 600MHz 的第一中频变成 70MHz 的第二中频。

当然,在通讯领域还有三次变频方案,道理是一样的,这里不赘述了。

以上就是中频的原理、作用同应用。

现代无线电的方法:

当然,随着技术的进步,现代无线电的方法趋向简单粗暴。

因为现代半导体技术的进步,ADC(Analog-Digital Converter 数模转换器)的支持频率很高,可以把射频直接输入 ADC,然后转换为数字信号,然后通过 DSP(Digital Signal Processor 数字信号处理器)进行各种复杂的处理,系统的性能,取决于 ADC 的性能,DSP 的运算能力,算法等等了。

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