книги / Основы радиоэлектроники

называют индекс принятой радиостанции и предупреждают води­ теля, когда его автомобиль уходит из зоны приема радиостанций дорожной информации.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К ГЛАВЕ 8

1.Приведите классификацию и основные характеристики радиоприемных устройств.

2.Нарисуйте структурную схему приемника прямого усиления и объясните назначения её элементов.

3.Каковы достоинства и недостатки приемника прямого усиления?

4.Нарисуйте структурную схему супергетеродинного приемника и объясните назначения её элементов.

5.Каковы достоинства и недостатки супергетеродинных приемников?

6.Укажите тенденции развития радиоприемных устройств.

Рис. 9.1

Г Л А В А 9

ТЕЛЕВИДЕНИЕ

§ 9.1. Принципы передачи и приема изображения

Назначение телевизионной системы— передача оптического изо­ бражения некоторой части пространства по линии связи. Оптическое изображение части пространства получается на мишени передающей телевизионной трубки с помощью объектива, как в фотоаппарате. Это изображение преобразуется в управляющий телевизионный электрический сигнал— видеосигнал. С помощью этого сигнала осуществляется модуляция несущего колебания и полученный теле­ визионный радиосигнал излучается в пространство антенной телеви­ зионной передающей системы. Втелевизионном приемнике осущест­ вляется преобразование телевизионного радиосигнала в видеосиг­ нал, а затем с помощью этого сигнала— восстановление изобра­ жения на экране приемной телевизионной трубки— кинескопа.

В телевизионной передающей трубке изображение проецируется на светочувствительную мишень. Поле изображения называется кадром: это поле делится на элементы (рис. 9.1). Число их весьма велико % 500 тыс. Электрический сигнал от каждого элемента дол­ жен быть пропорционален средней яркости этого элемента. В со­ временных телевизионных системах используется последовательная передача сигналов, пропорциональных средней яркости элементов изображения. Последовательное преобразование яркости элементов в электрические сигналы и их передача называется разверткой изображения. Поочередность передачи сигналов от отдельных эле­

ментов (развертка изображения)— один из ос­ новных принципов современного телевидения. Благодаря этому принципу для передачи инфор­ мации в телевидении достаточно иметь один канал, что гораздо выгоднее, чем многоканаль­ ная система. Глаз не замечает поочередности пе­ редачи информации от отдельных элементов не­ подвижного и движущегося изображения в силу инерции зрения (как в кино).

Процесс развертки изображения на экране передающей или приемной телевизионной трубки определяется быстрым перио­ дическим движением электронного луча слева направо и одновре­ менно периодическим медленным движением луча сверху вниз.

Движение луча слева направо называется строчной разверткой. Во время этого движения производится передача или воспроиз­ ведение сигнала изображения. Затем луч быстро возвращается назад, т. е. двигается справа налево. Во время обратного движения луча сигнал изображения не передается и не воспроизводится. Движение луча сверху вниз называется кадровой разверткой.

Луч может пробегать поочередно все строки изображения. Такая развертка называется построчной (рис. 9.2). Более выгод-

1 ной оказалась чересстрочная развертка— сначала за — сек осуще­

ствляется развертка нечетных строк изображения: первой,

третьей, пятой и т. д. (рис. 9.3а), а затем за — сек — четных:

второй, четвертой и т. д. (рис. 9.36). В результате вместо одного кадра при построчной развертке при использовании чересстроч-

1

ной развертки поочередно передаются два полукадра за — сек.

В этом случае мелькания изображения при том же числе кадров менее заметны. Использование чересстрочной развертки — вто­ рой принцип работы современного телевидения. Отклонение электронных лучей в передающей и приемных телевизионных трубках создается периодически меняющимися магнитными по­ лями, которые определяются негармоническими токами в от­ клоняющих катушках этих трубок. Негармонические токи выра­ батываются специальными релаксационными генераторами раз­ вертки— блокинг-генераторами (см. главу 6 § 6.4). Видеосигнал от каждого элемента изображения на выходе пере­ дающей телевизионной трубки существует, лишь когда электрон­ ный луч достигает этого элемента. Однако величина сигнала определяется зарядом на этом элементе, накопленным за целый период кадровой развертки, т. е. за время, много большее вре-

5

9.3а,б

мени прохождения лучом одного элемента. Накопление заряда повышает чувствительность передающей телевизионной трубки. Принцип накопления заряда в телевизионной передающей труб­ ке— третий принцип работы современного телевидения.

В приемной телевизионной трубке видеосигнал определяет силу тока электронного луча, от которой зависит и яркость свечения элемента экрана, куда падает электронный луч.

Основные параметры телевизионного изображения

Если в радиовещании полоса частот, необходимая для переда­ чи звуковой информации, определяется физическими свойствами человеческого органа слуха, то в телевидении основные парамет­ ры телевизионного изображения, удовлетворяющие условиям ка­ чественной передачи, определяются физиологическими свойства­ ми человеческого органа зрения. На сетчатке глаза имеется жел­ тое пятно, определяющее поле ясного видения, оси которого относятся как 4:3 и которому соответствуют углы ясного виде­ ния а = 12° по вертикали и р = 16° по горизонтали. Это определяет формат кадра а:в = 4:3, где а — длина кадра, в — высота кадра. Оптимальное расстояние для наблюдения телепередач — 5-г 6 вы­ сот изображения, определяется остротой зрения.

Разрешающая способность глаза— способность различать от­ дельные элементы изображения — примерно соответствует углу

у = 1. Это определяет целесообразное число строк ZMaKC а

У

= 1 2 /(^ ) = 720. Число строк определяет четкость изображения.

В России выбрано Z=625 строк, что обеспечивает 97% четкости от максимума, соответствующего ZMaKC= 720. В Англии и Фран­ ции также принято Z = 625 строк, в США Z=525 строк. В насто­ ящее время в Японии разработана система телевидения высокой четкости (ТВЧ) с числом строк Z = 1125 и соотношением а/ в = 16/9, соответствующему широкоэкранному кино.

При Z =625 строк число элементов телевизионного изображе­ ния равно

« = « n e p T « r o p = Z ( 4/ 3) Z s 5 2 1 000,

где иверт— число элементов изображения по вертикали, равное числу строк Z, п гори, — число элементов изображения по горизон­

тали («rop= jZ ). Частота повторения кадров определяется ско­

ростью фотохимических реакций в сетчатке глаза, при которой изображение сохраняется в памяти человека. С ростом частоты повторения, когда частота достигает критического значения, глаз перестает замечать мелькание изображения. Критическая частота

зависит от яркости изображения и не может быть меньше %25 Гц. При средней яркости современных экранов телевизоров критиче­ ская частота равна 50 Гц. При построчной развертке частота кадров должна быть FK= 50 Гц, при чересстрочной FK= 25 Гц, так как кадр разбивается на два полукадра, и критическая частота остается равной 50 Гц. Это позволяет определить частоту строк FC= FK Z= 15 625 Гц. Таким образом, в России выбраны следую­ щие параметры телевизионного изображения:

формат кадра: 4:3; частота кадров FK= 25 Гц;

частота полукадров (полей) Fn = 50 Гц; число строк изображения Z = 625; частота строк Fc = 15 625 Гц.

§ 9.2. Видеосигнал и телевизионный сигнал

Форма и частотный спектр видеосигнала

С помощью передающей телевизионной трубки в процессе развертки получается видеосигнал, несущий информацию об изо­ бражении. Видеосигнал характеризуется положительным напря­ жением мс, зависящим от времени. Яркость отдельных элементов изображения меняется от нуля до Вмакс. Если с ростом В рас­ тет мс, говорят о положительной полярности видеосигнала. Если же с ростом В величина ис падает, говорят о видеосигнале от­ рицательной полярности. Именно этот сигнал используется для амплитудной модуляции несущего колебания в телевизионных системах, так как помехи, увеличивая мс, приводят к затемнению изображения на экране телевизионного приемника, что менее заметно, чем засветки изображения. Поскольку видеосигнал

влюбой момент времени положителен (униполярный сигнал),

внем присутствует постоянная составляющая— среднее значение сигнала за период кадровой развертки. Поэтому спектр видеосиг­ нала начинается от нуля и простирается до максимальной часто­ ты /максМаксимальная частота / макс определяется наиболее сложной для передачи картиной с мелкими деталями, в част­ ности, состоящей из вертикальных черных и белых полос, ши­ рина которых равна размеру одного элемента изображения (рис. 9.4а). Яркость этих полос принима­ ет значения 5 макс и ноль (сплошная линия на рис. 9.46), и при движении электронно­ го луча телевизионной передающей труб­

ки получается видеосигнал мв, изобра­
женный сплошной линией на рис. 9.4в.
Качество изображения оказывается до­
статочно хорошим, если вместо импульс­
ного сигнала, изображенного сплош-	рис. 9.4 а

Рис. 9.46

Рис. 9.4в

ной линией на рис. 9.4в, передавать гармонический видеосигнал, изображенный на рис. 9.4в пунктиром, что соответствует плав­ ному изменению яркости между отдельными элементами на экране (пунктирная линия на рис. 9.46). Период синусоиды на рис. 9.4в равен времени передачи двух элементов изображения:

Т=2Х И / Ма*с = ~ =

За 1 секунду передается FKэлементов изображения, тогда х = ~,

причем FK= 521 103 •/*, где / к — число кадров в секунду. Отсюда

при построчной развертке / к = 50 Гц имеем г млкс=----- ------

=

= 13 МГц. При чересстрочной развертке и / к = 25 Гц получаем

Гмакс = ------------

= 6,5 МГц, т. е. при чересстрочной развертке

спектр видеосигнала в два раза уже, чем при построчной при одинаковом мелькании изображения на экране. Это определяет целесообразность использования чересстрочной развертки.

Полный управляющий видеосигнал мвиде0 (рис. 9.5) содержит видеосигнал каждой строки, напряжение которого меняется от уровня белого (10% от С/ВИдеомакс) Д° уровня черного. Длитель­ ность передачи одной строки составляет 64 мкс. В интервале между двумя строками передается гасящий импульс большой амплитуды (75% от £/видеома1СС— уровень чернее черного и дли­ тельность 10 мкс), а на вершине гасящего импульса— короткий строчный синхронизирующий импульс длительностью 5 мкс После передачи одного полукадра передается гасящий импульс, кадровый синхронизирующий импульс длительностью 200 мкс и строчные синхронизирующие импульсы.

Строчные и кадровые синхронизирующие импульсы переда­ ются соответственно во время обратного хода строчной и кад­ ровой развертки на уровне чернее черного, поэтому на экране телевизора они не видны. Синхронизирующие импульсы необ­ ходимы для синхронизации (управления частотой (см. главу 6)) генераторов строчной и кадровой развертки и обеспечения равен-

Импульс строчной I /синхронизации

у Строчный гасясщий

. 110-15%

Уробень белого

Q

t,MKC

Уравнивающие		Уравнивающие
импульсы	Кавровый	импульсы 14 строчных
м312;	синхроимпульс	синхроимпульсов
			'll.
	КаЙробый гасящий импульс		^	t,HKC

Рис. 9.5

ства частот генерируемых колебаний генераторов развертки теле­ визионного передатчика и приемника. Это необходимое условие передачи изображения без искажений.

Телевизионный радиосигнал

Поскольку видеосигнал занимает широкую полосу частот (6,5 МГц), для передачи информации об изображении использу­ ется амплитудная модуляция (рис. 9.6). При использовании двух боковых полос с частотами выше и ниже несущей не­ обходима полоса частот 2FMaKC= 13 МГц (см. главу 1). Поскольку передавать такую полосу частот сложно и целесообразно увели­ чить число одновременно работающих телевизионных стан­ ций, используется телевизионный радиосигнал с верхней боко­ вой полосой шириной 6 МГц и нижней боковой полосой, уменьшенной с помощью фильтров до 0,75 МГц (рис. 9.7). Выше несущей частоты изображения / неси, на 6,5 МГц имеется несущая частота звука / нес эв. Информация о звуке передается с помощью частотной модуляции. Соответствующий ЧМ сигнал занимает полосу 500 кГц. Частотная модуляция позволяет обеспечить высокое качество передачи звука (максимальные

частоты управляющего	сигна­
ла звука— 10^-12 кГц)	и хоро­

шую помехоустойчивость (малое влияние помех благодаря амп­ литудному ограничению ЧМ сиг­ налов в телевизионном приемни­

ке, ликвидирующему				изменение
амплитуды		ЧМ	сигналов (см.
§ 1.3 и	§	6.6. В	целом телеви­
зионный	радиосигнал			занимает

полосу 7,5 МГц.

Амплитудная модуляция коле­ бания несущей частоты изображе­ ния осуществляется видеосигна­ лом отрицательной полярности, т. е. максимальное значение ам­ плитуды телевизионного радио­

сигнала соответствует уровню строчных и кадровых синхро­ низирующих импульсов, минимальное значение амплитуды — видеосигналу светлых сцен. Такая амплитудная модуляция называется отрицательной. Так как синхронизирующие импуль­ сы постоянны по амплитуде, при использовании такого радио­ сигнала легко сделать систему АРУ (см. главу 8 § 8.4). По­ скольку чаще передаются светлые сцены, то амплитуда теле­ визионного радиосигнала значительную часть времени мала и, в силу этого, мала и средняя мощность телевизионного пере­ датчика.

Несущая частота изображения должна быть много больше полосы частоты, занимаемой телевизионным радиосигналом, не меньше чем в 6 раз.

Для черно-белого и цветного телевидения выделен диапазон частот 48—230 МГц (диапазон метровых волн) и диапазон деци­ метровых волн 470 н-890 МГц, а также сантиметровый и мил­ лиметровый диапазоны.

В диапазоне 48-^230 МГц расположены 12 каналов теле­ видения. Несущая частота изображения 1 канала — 49,75 МГц (кж6 м).

/	^	m	)	)
ПереЗатчик			, Приемник	ПереЭатчик # Ретранслятор

Ретранслятор

Рис. 9.8

Используемые для передачи телевизионных программ радио­ волны метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов распространяются в пределах прямой видимости, не огибая Зем­ лю и практически не отражаясь от ионосферы (см. § 1.5). Поэтому увеличивают высоту антенны телевизионного передатчика Аперед (высота Останкинской башни ~500 м) и высоту антенны телевизионного приемника Априем. Дальность действия телевизи­ онной станции определяется формулой:

D 4,12 ( yjhперед М4"\ / hприем М)КМ.

Для передачи на большие расстояния телевизионных радиосиг­ налов в дециметровых и сантиметровых диапазонах используют радиорелейные линии связи (рис. 9.8), состоящие из ряда ретранс­ ляторов. Каждый ретранслятор включает приемную антенну, усилитель и передающую антенну. В последнее время в ряде стран получило распространение кабельное телевидение. В этом случае телевизионный радиосигнал приходит к телевизионному приемнику по коаксиальному кабелю, а атмосферные и промыш­ ленные помехи отсутствуют.

Широкое распространение получили спутниковые системы связи (рис. 9.9). В этом случае ретранслятор расположен на спут­ нике связи; энергия электромагнитной волны от наземного пере­ датчика достигает спутника, и после усиления и преобразования частоты электромагнитная волна падает на антенну приемной системы. Обычно эта антенна представляет собой параболлоид вращения диаметром ~ 10 м. Здесь радиосигнал вновь усиливает­ ся, преобразуется и поступает на передающую антенну местной телевизионной станции. После излучения эти сигналы достигают

) П	) )	)
.	Д	ц

ПереЗатчик	Приемник ПереЗатчик	Индивидуальные
		приемники

телевизионных приемников. В России используется спутниковая система связи «Орбита» со спутниками ретрансляции телевизион­ ных программ «Молния», «Радуга», «Экран».

§9.3. Структурная схема передачи

иприема изображения и звука

Структурная схема телевизионного передатчика изображена на рис. 9.10. Схема включает телевизионную передающую труб­ ку, на выходе которой в результате развертки изображения полу­ чается видеосигнал, усиливаемый широкополосным усилите­ лем— видеоусилителем — и поступающий на вход модулятора. На другой вход модулятора подается также гармоническое коле­ бание несущей частоты изображения, и на выходе модулятора получается амплитудно-модулированное колебание. С помощью фильтра специальные составляющие нижней боковой полосы отфильтровываются, и оставшийся спектр телевизионного радио­ сигнала изображения подается на усилитель мощности, а затем на передающую антенну.

Сигнал звукового сопровождения от микрофона поступает на усилитель звуковой частоты (УЗЧ), а затем на модулятор — нелинейную емкость в контуре генератора несущей частоты звука (см. § 6.2). Полученный частотно-модулированный сигнал посту­ пает на вход усилителя мощности, а после усиления на переда­ ющую антенну. Важнейшую роль в работе телевизионного пере­ датчика и телевизионного приемника играет синхрогенератор

Видео­ усилитель

V/

Усилитель

мощности

Генератор Синхро­

развертки генератор

о —

УНЧ

Микрофон