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现代远程双向视频教学系统

陈汝均

内容提要：双向视频教学系统是远程教学的一种新的重要教学手段，它能实现远程交互教学，提高教学质量。在建设过程中，必须首先考虑充分利用各种媒体资源，提高主课堂的信号质量。在目前经济和技术条件下，只能选择地面通信系统传输信号。要实现视频信号双向传输，就得将视频信号数字化。对数字信号传输带宽和信号质量这两方面，应根据实际情况作出正确选择。为达此目的，本文对有关问题进行讨论。

关键词：双向视频、数字信号、取样、量化、编码

远程教育是传输知识、培养造就人材的重要途径。远程教育已经成为我国教育体系的重要组成部分。早期远教视频系统是单向系统，主要利用闭路电视系统和单向卫星进行传输。传输范围较小，教师不能观察远程教室学生的反映，学生也不能向教师提问，无法进行互动教学，因而教学效果不太理想。随着科学技术的迅猛发展，特别是计算机和光纤网络的普及，使得双向视频系统用于远程教学成为可能。

一、系统基本组成

该系统最大优点就在于既可同时把主课堂的信息传送给各分课堂，也可把各分课堂的信息传送给主课堂。这样就可以利用优秀教师授课，解决边远地区教师缺乏的问题，实现交互式教学，提高远程教育的教学质量。

二、主课堂设备系统

（一）、主课堂设备系统框图

以上框图所表示的设备系统，充分利用了各种音视频及计算机等媒体资源，使得主课堂教学信息量大，节约了时间，扩大了空间，生动活泼，激发学习兴趣，能达到教学效果良好的目的。

（二）、基本的技术要求

1、各种视频信号能同步切换，保证切换前后色度、亮度等无明显差别。如果是模拟切换台必须要有足够的同一同步信号源及必要的时基校正器。

2、为保证摄象机输出的图象质量，首先应选好所用摄象机，一般应考虑选用目前广播级中档机，这是因为各种摄象机所能输出的最好图象质量是各不相同的。其次必须选择好照明系统，照明的好坏直接影响图象质量，无论多好的摄象机也必须在照明条件良好的情况下，才能输出高质量的图象。对于照明系统的选择，最好选用色温为3200K的冷光源，色温为3200K能获得彩色还原好的图象，采用冷光源既节约了电力消耗，又有利于室温调节。

3、由于主课堂的声音要传送到各分课堂，必须隔绝室外噪声，同时室内还应作吸音处理，以保证声音清晰。

（三）、计算机信号处理系统

1、系统功能

该系统的主要功能是将主课堂提供的信号，变换为数字信号提供给传输网络，同时根据需要把各分课堂传来的的数字信号选择传送到主课堂。如果主课堂提供有数字信号，该系统也能输入传送出去，该系统还能与其它计算机系统相连。

2、视频信号的数字化

要实现双向视频传送，最基本的问题就是要将模拟电视信号转换为数字电视信号。模拟电视信号是连续的波动信号，而数字信号是二进制数字编码的脉冲信号。要将模拟信号变换成数字信号，就是对模拟信号进行取样、量化、编码，把它转换成数字信号。

⑴信号取样

取样是将时域连续的模拟信号转变为时域离散的过程，它是由模拟信号对一个重复频率fs的取样频率脉冲序列进行脉冲幅度调制（PAM）实现的。在频域内，取样过程是模拟信号的频谱与fs及各次谐波的卷积。根据取样定理，若模拟信号的最高频率为fC，当取样频率满足fs≥2fC时，从取样的离散可信号完全恢复原始模拟信号，这可由具有矩形频率响应的、截止频率为fC的的低通滤波器来实现。2fC为奈奎斯特频率，在数字电视中，取样频率至少取为2.2fC，以使频谱混叠引起的混叠失真在误差容限之内。对于全信号取样，还必须考虑处于基带高频端的能量较大的副载波及其边带信号。在量化过程中，会产生副载波的各次谐波，某些谐波分量又会通过取样而折叠到基带中来，与基带内的亮度信号和色差信号互调而产生差拍干扰。当取样频率fs与副载频fsc不相关时,在图象的饱和度彩色部分会表现出差拍干扰所引起的花纹图案。若将fs取为fsc的整倍数，则副载波的高次谐波的折叠分量将落入亮度信号频谱的空隙中，从而减少与亮度信号的互调。另一方面，折叠分量与原基带内的色度分量重合，产生零拍。主观测试表明，在8bit量化的情况下，这种零拍干扰对色度信号的影响是不易察觉的。因此全信号编码的取样频率一般取为三被或四倍副载频。对于NTSC信号，3fsc≈10.7MHz，4fsc≈14.3MHz;对于PAL信号，3fsc≈13.3MHz，4fsc≈17.7MHz.对于分量信号，为形成正交的取样结构，取样频率应为行频的整倍数，即fs=mfH,而且为统一国际编码，要求这些整倍数关系能对625行和525行的扫描制式兼容。对于分量信号编码，其亮度信号的取样频率为13.5MHz，色差信号的取样频率其国际标准为6.75MHz。这些取样频率同时也满足取样定理的要求。

⑵信号量化

量化是将模拟信号在幅度上离散化的过