Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа семнадцатая ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАТЧИКИ И ПРИЕМНИКИ

Незнайкин. — Благодаря объяснениям твоего дядюшки и твоим, мой дорогой друг, мне кажется, что я в общих чертах представляю, как работает телевизионный передатчик. В самом деле, я уже знаю, как устроены различные передающие трубки, каким образом генерируются пилообразные сигналы, которые заставляют электронный луч подобно метле проходить по строкам и полукадрам изображения.

Полученные таким образом видеосигналы верно отражают яркость последовательно передаваемых элементов изображения. Эти сигналы, как мы видели, занимают очень широкую полосу частот. Для наших передач с разложением на 625 строк ширина полосы достигает 6 МГц.

Любознайкин. — Широкая полоса модулирующих частот требует использования волн, имеющих частоты в несколько десятков раз более высокие. Во время одной из предыдущих бесед мы назвали полосы частот, соответствующие используемым в телевидении очень коротким волнам.

Н. — И мы видели, что производится амплитудная модуляция, так как частотная модуляция привела бы к еще большему расширению полосы частот.

Я предполагаю, что наиболее яркие элементы изображения поднимают амплитуду до пикового значения несущей волны, а черные элементы уменьшают ее до нуля.

Л. — Твое предположение близко к истине. Но гамма яркостей простирается не от нуля до амплитуды, которую несущая волна имеет при отсутствии модуляции, а от 25 % этой амплитуды до ее максимального значения. Ниже этих 25 % располагается, если можно так выразиться, область ультрачерного.

Н. — А почему бы для отражения всей гаммы яркостей не использовать полностью всю амплитуду? Для чего служит эта четверть пиковой амплитуды, находящаяся ниже уровня черного?

Л. — Там размещают сигналы синхронизации, управляющие обратным движением луча по строкам и полукадрам. Ты прекрасно понимаешь, что во время обратного хода электронный луч, просматривающий изображение в передающей телевизионной трубке, не должен «прочитывать» яркостей строк. А в приемнике электронный луч, возвращающийся в исходное положение после просмотра строки или полукадра, не должен оставлять на экране светящегося следа.

Н. — Это напоминает мне процесс письма. Дойдя до конца строки или страницы, я приподнимаю перо и только после этого возобновляю работу…

Итак, вся гамма яркостей характеризуется тремя четвертями амплитуды несущей волны.

Л. — Ты прав. Кроме того, Незнайкин, если во Франции и Бельгии модуляция положительная, то в других странах, например в Советском Союзе, Англии, США, она отрицательная.

Н. — Что ты под этим подразумеваешь?

Л. — В этих странах модуляция осуществляется так, что чем ярче элемент изображения, тем меньше амплитуда соответствующих ему колебаний волны. Иначе говоря, выдаваемый передающей телевизионной трубкой сигнал при воздействии на несущую волну больше или меньше снижает ее амплитуду. Таким образом, в европейском стандарте с четкостью 625 строк наиболее яркие белые участки изображения соответствуют примерно одной десятой пикового значения амплитуды, а темные — 75 % этой амплитуды.

Н. — Я догадываюсь, что ультрачерное размещается между 75 и 100 %. А обратный ход луча после просмотра строки или полукадра происходит как раз в то время, когда сигнал находится в зоне ультрачерного.

Л. — Во всех стандартах стремятся сделать так, чтобы сигналы синхронизации размещались между уровнями черного и ультрачерного.

Н. — А какова форма этих сигналов? Описывая генераторы пилообразных сигналов, ты говорил о «синхронизирующих импульсах».

Л. — Действительно, это очень короткие и почти прямоугольные сигналы. Строчные сигналы состоят из одного импульса, длительность которого в десяток раз короче общего времени, затрачиваемого лучом на прохождение прямого и обратного хода по строке. Перед этим импульсом и после него подаются гасящие сигналы — горизонтальные площадки, расположенные на уровне черного. Предшествующая импульсу площадка намного короче тон, которая следует за ним.

Я нарисовал тебе кривую, характеризующую изменение амплитуды модулированной волны во время движения луча по строке и во время сигналов синхронизации. Время, указанное в микросекундах, соответствует советскому стандарту с четкостью 625 строк (рис. 198).

Рис. 198. Форма видеосигналов и соответствующие значения яркости.

А теперь мне нужно объяснить тебе строение кадровых синхронизирующих сигналов. Их длительность составляет 192 мкс в советском стандарте с четкостью 625 строк. В данном случае я говорю тебе о длительности прямоугольных синхронизирующих импульсов.

Весь же набор сигналов (кадровых гасящих, уравнивающих, врезок, кадровых синхронизирующих), передаваемых между двумя последовательными полукадрами, превышает длительность передачи одной строки от 23 до 25 раз (рис. 199).

Рис. 199. Фирма синхроимпульса. Период строчной развертки Н = 64 мкс; длительность строчного синхроимпульса t_{синxp.cтp.} = 5 мкс; длительность уравновешивающего импульса t_ур = 2,55 мкс; длительность врезки t_вр = 2,55 мкс; длительность кадрового синхроимпульса t_{синxp.кдр.} = 192 мкс.

Н. — Это составляет около 0,0015 с. Для нас это очень короткое время. В электронике же, как мне кажется, таким временем пренебрегать нельзя. Что же происходит в этот интервал времени?

Л. — Наряду с кадровыми синхронизирующими импульсами исправно продолжают подаваться строчные синхронизирующие импульсы.

Н. — А зачем, если в этот интервал времени изображение не развертывается и не воспроизводится?

Л. — Если не управлять разверткой строк, то в начале следующего полукадра они окажутся несинхронизированными, что приведет к искажению изображения.

Н. — Я констатирую, что волны, излучаемые телевизионными передатчиками, имеют дьявольски сложную форму. Во время передачи каждой строки их амплитуда изменяется в зависимости от ярких просматриваемых элементов изображения. В конце строки пятно становится черным. Затем синхронизирующий импульс возвращает его к началу следующей строки, и после короткой черной площадки гасящего импульса оно вновь становится светящимся. И когда за время 0,02 с завершается передача полукадра, начинается передача цепочки кадровых синхронизирующих сигналов. Пятно поднимается вверх, пересекая при этом несколько десятков строк.

Кроме того, я думаю о чудовищной ширине полосы модуляции, занимающей несколько мегагерц. К тому же она создает две широкие боковые полосы по обе стороны от несущей волны.

Л. — Совершенно верно. Однако я могу успокоить тебя тем, что принимают меры для того, чтобы сильно ослабить одну из этих боковых полос, что позволяет сократить общую полосу частот, занимаемых телевизионным сигналом (рис. 200).

Рис. 200. Полоса частот, занятая волнами, передающими изображение и звук.

Н. — А насколько близко от несущей изображения располагается волна, передающая звуковое сопровождение?

Л. — Близко. Несущая звука имеет такую частоту, что она располагается совсем рядом с неослабленной боковой полосой изображения. Таким образом, одна и та же антенна служит для приема изображения и звука.

Н. — А как модулируют несущую звука, по амплитуде или по частоте?

Л. — Во Франции, а также в Бельгии и Англии звук передается с амплитудной модуляцией. В большинстве же других стран, в том числе и в Советском Союзе, используют частотную модуляцию.

Н. — Я прекрасно понимаю, что телевизионный передатчик намного сложнее радиовещательного; впрочем, последний является небольшой составной частью телевизионного передатчика.

Л. — Совершенно верно, и чтобы обобщить то, что ты узнал, я нарисовал тебе очень упрощенную схему телевизионного передатчика, опустив для простоты блоки звукового сопровождения (рис. 201).

Pис. 201. Структурная схема телевизионного передатчика. Стрелками показано направление сигналов.

Как видишь, задающий генератор управляет генераторами строчных и кадровых синхронизирующих сигналов. Эти сигналы в свою очередь управляют генераторами отклоняющих токов, обеспечивающих развертку изображения в передающей телевизионной трубке. Эти же сигналы синхронизации подводятся к схеме, где они смешиваются с предварительно усиленными видеосигналами.

Таким образом получают сложную совокупность изменений напряжений, где напряжения, характеризующие яркость элементов каждой строки, чередуются с напряжениями, управляющими обратным ходом луча по строкам и кадрам. Этими сложными напряжениями и модулируют колебания несущей. После мощного усиления эти модулированные колебания поступают в передающую антенну, чтобы создать соответствующие волны.

Н. — На твоей схеме имеются также блоки, выдающие строчные и кадровые гасящие сигналы. Они управляются соответствующими сигналами синхронизации и соединены с модулятором передающей телевизионной трубки.

Я предполагаю, что их роль заключается в том, чтобы сделать этот электрод достаточно отрицательным, чтобы электронный луч оказался существенно ослабленным и не смог при обратном ходе «прочитать» соответствующие элементы изображения.

Л. — Совершенно верно. Благодаря этим устройствам передающая телевизионная трубка «закрывает глаза» на то время, когда луч совершает обратный ход по строкам и кадрам.

И уж раз мы заговорили о «глазах», то запомни, что для оператора, работающего с передающей телевизионной камерой, сделан специальный видоискатель, который по своей конструкции совершенно не похож на видоискатель фотоаппарата. В телевизионной камере устанавливается не оптический, а электронный видоискатель: это очень упрощенный телевизионный приемник. Он получает видеосигналы и отклоняющие токи непосредственно с соответствующих блоков передатчика. Пользуясь этим видоискателем, оператор видит точно такое же изображение, каким оно появляется перед телезрителями.

Н. — Раз уж ты начал говорить о телезрителях, мне было бы приятно, наконец, в самой общей форме узнать, как устроены телевизионные приемники. Я предполагаю наличие некоторой аналогии между радио- и телевизионными приемниками.

Л. — Само собой разумеется. В телевизоре слабые токи очень высокой частоты, наводимые волнами в антенне, сначала усиливаются, а затем подаются на преобразователь частоты (рис. 202).

Рис. 202. Структурная схема телевизора.

Н. — Следовательно, телевизоры, как и радиоприемники, устроены по принципу супергетеродина.

Л. — Да, но в телевизорах промежуточная частота намного выше. Если в радиоприемниках для приема передач на длинных и средних волнах эта частота ниже 500 кГц, то в телевизорах она достигает нескольких десятков мегагерц.

H. — Почему она такая высокая?

Л. — Потому что промежуточная частота должна передать полосу видеочастот, составляющую несколько мегагерц.

Н. — На твоей очень упрощенной схеме я вижу, что после преобразователя частоты имеются, во-первых, УПЧ изображения и, во-вторых, УПЧ звука. Чем вызывается это разделение?

Л. — Разве ты забыл, что звук передается несущей частотой, отстоящей на несколько мегагерц от частоты, передающей видеосигналы? Так, в советских передатчиках, работающих с разложением на 625 строк, несущая частота звука на 6,5 МГц выше несущей видеочастоты.

Н. — Теперь я понимаю, что на выходе преобразователя частоты разделяются на ПЧ звука и ПЧ изображения.

Л. — Вот почему УПЧ звука настроен на 31,5 МГц, а УПЧ изображения — на 38,0 МГц.

Н. — Это объясняет четкое разделение сигналов звука и изображения. Первые после усиления в УПЧ детектируются, проходят УНЧ и подаются на громкоговоритель. Что же касается видеосигналов, то я вижу, что они также усиливаются в УПЧ, затем детектируются, усиливаются на собственной видеочастоте и подаются на модулятор электронно-лучевой трубки с целью управления интенсивностью электронного луча (изменения яркости и свечения элементов экрана).

Кроме того, я вижу, что после детектирования они подаются на устройство, выделяющее сигналы синхронизации. Эти сигналы управляют генераторами строчной и кадровой развертки. Но я не вижу, как осуществляется подобное выделение.

Л. — Разве ты забыл, что сигналы синхронизации имеют амплитуду, отличную от амплитуды сигналов изображения? Это и позволяет производить выделение. Сигналы подают на каскады с постоянным смещением, позволяющим пропускать лишь сигналы, укладывающиеся между двумя строгими границами. Это, само собой разумеется, границы амплитуд, между которыми находятся сигналы синхронизации.

Н. — Сказанное тобою напомнило мне решето, позволяющее рассортировать смесь камней — оно пропускает лишь самые мелкие.

Л. — Запомни еще, что кадровые синхронизирующие сигналы отделяются от строчных синхронизирующих импульсов по длительности: вторые намного короче первых.

Н. — Теперь я в самых общих чертах понял устройство монохромного телевизора. Но как устроены цветные телевизоры?

Л. — Этот вопрос мы рассмотрим в другой раз.