Широкое распространение получили системы радиовещания — системы передачи информации, заключенной в звуковых сигналах (речь, музыка), от передатчика вещательной станции через линию связи — околоземное пространство — с помощью электромагнитных колебаний к приемникам слушателей (рис. 1). На входе передатчика капала радиовещания включен микрофон, который превращает звуковые волны, создаваемые диктором в студии, в электрические сигналы. На выходе приемника включен громкоговоритель (или наушники), осуществляющий обратное преобразование электрических сигналов в звуковые волны.
Рис. 1. Структурная схема канала радиовещания
Необходимость перехода радиовещания к цифровым видам модуляции обусловлена прежде всего развитием цифровой техники, средств связи, вещания и информационных служб. Специалисты разработали различные системы цифрового радиовещания (ЦРВ), из которых широко признана DRM (Digital radio mondiale — Всемирное цифровое радио).
Телевизионные (телевещательные) системы
Преобразование изображения света на основе внешнего или внутреннего фотоэффекта. Преобразование подвижных изображений в электрический сигнал осуществляется с помощью передающих телевизионных (ТВ) трубок или твердотельных фотоэлектрических преобразователей. Существует несколько способов преобразования электрического сигнала в оптическое изображение. Наибольшее распространение получили фотографический, электрохимический и электронный способы. Например, электрохимический способ предполагает запись изображения на электрохимическую бумагу, протягиваемую между двумя электродами, цвет которой изменяется под действием сигнала. Электронное изображение основано на применении приемной ТВ-трубки — кинескопа.
Первый проект телевизионной системы с последовательной передачей элементов изображения предложил в 1878 г. португальский инженер Адриано де Пайва. Автором первых разработок по электронной передаче изображения на расстояние был профессор Петербургского технологического института Борис Львович Розинг. В 1907 г. он изобрел электронную систему воспроизведения телевизионного изображения с помощью электронно-лучевой трубки, а в 1911 г. впервые продемонстрировал прием изображений простейших геометрических фигур. Его ученик Владимир Кузьмич Зворыкин в 1923 г. получил в США патент на изобретение электронной системы телевидения. К 1929 г. В. К. Зворыкин, существенно усовершенствовав электронно-лучевую трубку, создал кинескоп — приемную телевизионную трубку, а также в 1931 г. иконоскоп — передающую телевизионную трубку (независимо от него это сделал русский ученый Семен Исидорович Катаев) и разработал комплекс аппаратуры электронного телевидения. Большое значение имели труды Зворыкина по созданию цветного телевидения. Он признан во всем мире как «отец телевидения».
Телевизионные системы являются частным случаем радиовещательных и симплексных связных систем, и между ними много общего. Однако есть ряд особенностей, выделяющих телевизионные системы из общего класса систем передачи информации.
Телевизионной системой называют совокупность радиотехнических устройств, обеспечивающих передачу и прием изображений по радиоканалам, спутниковым, волоконно-оптическим или кабельным линиям связи. Для передачи телевизионных сигналов изображения и звука по различным радиоканалам используют диапазоны метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Принцип действия телевизионных систем основан на последовательном построчном разложении изображения на мелкие элементы — пиксели (от англ, pixel — picture element — элемент изображения) и передачи о них информации.
Процесс построчного преобразования яркости (и цветности в цветном телевидении) элементов изображения в напряжение — видеосигнал (термин «видеосигнал», от англ, baseband signal, определяет сигнал, спектр которого сосредоточен в диапазоне от постоянной составляющей до некоторого конечного значения, обычно не превышающего нескольких мегагерц) — называют растровой (от лат. rostrum — грабли) разверткой. При такой развертке площадь одного образца изображения {кадра) просматривают по двум взаимно перпендикулярным направлениям с достаточно высокой скоростью по горизонтали (строчная развертка) и более медленной — по вертикали (кадровая развертка).
Системы черно-белого телевидения. Рассмотрим структурную схему черно-белого телевизионного передающего устройства без канала звукового сопровождения (рис. 2). В передающем устройстве телевизионный сигнал формируется передающей трубкой. Для построчной и кадровой развертки изображения на передающую трубку поступают два пилообразных напряжения от генераторов строчной и кадровой разверток. Пилообразное напряжение строчной развертки отклоняет электронный луч передающей трубки по горизонтали (по строке), а пилообразное напряжение кадровой развертки осуществляет его быстрое перемещение сверху вниз (но кадру).
Рис. 2. Структурная схема телевизионного передающего устройства
При совместной работе обоих генераторов луч перемещается (сканирует) по экрану слева направо, прочерчивая строки изображения, а когда прочерчена последняя строка, луч скачком возвращается к началу нового кадра. Поскольку каждая передаваемая строка должна вызывать синхронное свечение той же строки на экране телевизионного приемника, в генераторах строчных и кадровых синхроимпульсов (СИ) передатчика формируются и вместе с сигналом изображения передаются прямоугольные импульсы строчной и кадровой синхронизации — синхроимпульсы. Они подаются на видеоусилитель передающего устройства, а также синхронизируют генераторы строчной и кадровой разверток соответственно. Для гашения луча в передающей трубке при возврате его из конца одной строки к началу другой, а также при смене кадров изображения генерируются строчные и кадровые гасящие импульсы. Синхронизирующие и гасящие импульсы должны быть согласованы друг с другом по времени и поэтому вырабатываются из колебания одного высокостабильного задающего генератора.
В результате в телевизионном передающем устройстве формируется полный телевизионный сигнал.
С помощью упрощенной временной диаграммы проанализируем структуру полного телевизионного сигнала (рис. 3). Практически во всех телевизионных системах видеосигнал подают на катод приемной трубки (кинескопа). Вследствие этого более темным участкам передаваемого изображения должен соответствовать видеосигнал с более высоким потенциалом, чем светлым участкам, как показано на рис. 3. Верхней штриховой линией на рисунке отмечен некоторый потенциал — уровень черного, при котором кинескоп полностью закрыт и экран не светится. Нижней штриховой линии соответствует потенциал, называемый уровнем белого, при котором свечение экрана кинескопа практически максимально. Между названными уровнями возможно размещение потенциалов видеосигнала (У), который будет передаваться без заметных искажений.
Все вспомогательные сигналы располагаются в области потенциалов выше уровня «черного». Здесь размещены гасящие строчные (2) и кадровые (У) импульсы, на «пьедесталах» которых находятся соответственно строчные (4) и кадровые (5) синхроимпульсы. В телевизионных приемниках указанные импульсы отделяют от остального сигнала и используют для запуска разверток и гашения лучей. Отличительными признаками, по которым производится отделение вспомогательных импульсов от основных, являются их амплитуда, частота следования и длительность. Представленная картина усложняется тем, что строчные синхроимпульсы передаются и во время действия кадровых импульсов. Используют также и другие вспомогательные сигналы: так называемые импульсы «врезки» (см. рис. 3, позиция 6) и уравнивающие импульсы, которые для упрощения на временной диаграмме не показаны. На рис. 3 приведена упрощенная телевизионная система с построчной (прогрессивной) разверткой, частота смены кадров в которой 25 Гц. Однако экран телеприемников такой системы с данной частотой смены кадров сильно мерцает и утомляет глаза человека, поэтому в реальных устройствах используют чересстрочную (по научному — интерлейсную) развертку. При этом луч сначала прочерчивает все нечетные строки, а затем — все четные строки изображения. В результате частота смены строк в кадре удваивается и эффект мерцания экрана существенно уменьшается.
Рис. 3. Упрощенная временная диаграмма полного телевизионного сигнала
В телевизионном приемном устройстве (рис. 4) осуществляется обратный процесс преобразования принятого антенной радиосигнала в яркость изображения на экране телевизионной трубки (в современных телевизорах — на жидкокристаллическом или плазменном экране).
Модулированное колебание, принятое и преобразованное приемной антенной в телевизионный сигнал, поступает в селектор каналов с преобразователем частоты, с помощью которого телезритель подключает нужный канал. В селекторе каналов приемника также производятся усиление общим усилителем радиочастоты и преобразование несущих частот сигналов изображения и звука. Затем сигналы изображения и звука вместе усиливаются в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) изображения. Сигнал изображения детектируется в видеодетекторе. Здесь же происходит разделение сигналов изображения и звука. Затем сигнал изображения усиливается в видеоусилителе и подается на кинескоп (телевизионную трубку). Сейчас характерным является быстрый рост выпуска телевизоров с плоскими экранами на плазменных и жидкокристаллических панелях. Промежуточная частота звукового сигнала усиливается в УПЧ звука и после детектирования в детекторе звука и усиления в усилителе звука подается в громкоговоритель (Гр). Синхронность разверток электронных лучей приемника и передатчика рассматриваемой телевизионной системы обеспечивается синхроимпульсами строчной и кадровой разверток, которые выделяются селектором синхроимпульсов (селектором СИ) из полученного на выходе видеоусилителя видеосигнала. Эти импульсы подаются на генераторы строчной и кадровой разверток, которые управляют перемещением луча кинескопа по строкам и кадрам соответственно. После модуляции и усиления полученный телевизионный сигнал либо излучается в свободное пространство, либо направляется но специальным линиям связи к телеприемникам. Звуковой канал передающей системы в принципе аналогичен устройству симплексной системы связи, рассмотренной ранее.
Рис. 4. Структурная схема телевизионного приемного устройства
Сигнал изображения формируется с помощью амплитудной модуляции несущей полным телевизионным сигналом с частичным подавлением нижней боковой полосы частот, а звукового сопровождения — частотной модуляцией звука сопровождения. Основные параметры систем черно-белого телевидения:
• развертка — чересстрочная;
• длительность развертки строки вместе с обратным ходом луча — 64 мкс;
• длительность развертки кадра вместе с временем обратного хода — 0,04 с;
• число строк в кадре — Z = 625;
• частота смены кадров — FK = 25 Гц;
• частота следования строк — Fc = FJZ = 25 • 625 = 15 625 Гц;
• частота смены полей — 50 Гц;
• число элементов разложения в одном кадре — п~ 521 000.
При этом номинальная полоса частот радиоканала составляет 7,625 МГц (ослабление составляющих 1,25 и 6,375 на 20 дБ), разнос несущих — 6,5 (несущая частота меньше частоты звука); ширина телевизионного вещания — 8 МГц (рис. 5).
Рис. 5. Размещение спектров сигналов изображения и звука в телеканале
Источник: «Студми»