Author: Мамчев Г.В.
Tags: электротехника общая радиотехника радиотехника
ISBN: 5-93517-267-4
Year: 2007
Text
ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ьность
Ппитш ।
UunUuDl
ПРЕДИСЛОВИЕ
В соответствии с принятым в 2000 г. Государственным образова-
тельным стандартом высшего профессионального образования
(ГОС ВПО) второго поколения по специальности 210404 - «Много-
канальные телекоммуникационные системы» направления подго-
товки дипломированного специалиста 210400 - «Телекоммуника-
ции» в цикле специальных дисциплин предусматривается изучение
курса «Основы радиосвязи и телевидения».
Данная дисциплина предполагает изучение: общих принципов
передачи сигналов по радиотрактам; основных характеристик сиг-
налов телевизионного вещания; принципов построения систем пе-
редачи изображений; основных узлов телевизионного оборудова-
ния; стандартов цветного телевидения; способов формирования
и передачи сигналов изображения высокой четкости; методов
оценки качества передачи изображений; перспективных систем
телевизионного вещания.
Сложность и многообразие современной аппаратуры радиосвязи
и телевидения делают обязательным условием усвоения материа-
ла курса «Основы радиосвязи и телевидения» прочное знание сту-
дентами предусмотренных ГОС ВПО и изучаемых ранее курсов:
«Физика», «Электромагнитные поля и волны», «Физические основы
электроники», «Электроника», «Основы построения телекоммуни-
кационных систем и сетей», «Основы теории цепей», «Теория элек-
трической связи».
К сожалению, специальной учебной литературы, доступной для
студентов, в которой бы нашла отражение современная техника
радиосвязи и телевидения, явно недостаточно. Поэтому издание
подготовленного профессором Г. В. Мамчевым учебного пособия
«Основы радиосвязи и телевидения» весьма актуально.
Содержание учебного пособия отвечает современным достиже-
ниям науки и техники - как отечественной, так и зарубежной.
В учебном пособии нашел отражение многолетний опыт преподава-
ния курса «Основы радиосвязи и телевидения», накопленный на
кафедре радиовещания и телевидения Сибирского государственно-
го университета телекоммуникаций и информатики.
ВВЕДЕНИЕ
В конце XIX века были открыты и исследованы свойства невиди-
мых электромагнитных волн, способных распространяться на боль-
шие расстояния. Эти волны были названы радиоволнами. Обобщая
обширный опытный материал, собранный естествоиспытателями,
английский физик Джеймс Максвелл создал в 60-х годах XIX века
теорию электромагнитного поля, установившую общую природу
световых и радиоволн, а также открыл законы их распространения.
В дальнейшем были изучены другие виды излучения: ультрафиоле-
товое, инфракрасное, рентгеновское и т.п. Исследования показали,
что несмотря на различие ряда свойств этих видов излучения их
природа одна и та же: все они представляют собой электромагнит-
ные волны, а особенности их физических проявлений определяются
различием в длине волны.
В 1886-1888 годах немецкий физик Генрих Герц эксперимен-
тально подтвердил основные выводы теории Максвелла, показав,
что законы распространения, отражения и преломления радиоволн
аналогичны законам распространения света. Это послужило толч-
ком к интенсивным исследованиям в отношении использования ра-
диоволн для нужд связи.
Важнейшим свойством переменного электромагнитного поля яв-
ляется то, что оно не локализуется в месте возникновения. От точ-
ки, где оно возникло, возмущение начинает распространяться во
все стороны в окружающее пространство, порождая электромагнит-
ные волны, подобно тому, как всплеск воды от камня, брошенного
в пруд, создает разбегающиеся по его поверхности круги.
Электромагнитные волны являются носителями энергии. За счет
лучистой энергии, приносимой ими с поверхности Солнца, сущест-
вует жизнь на Земле. Следовательно, создание электромагнитного
излучения должно явиться результатом процессов преобразования
энергии. Такое преобразование произойдет, например, если заста-
вить электрон двигаться с ускорением. Энергия, затрачиваемая уст-
ройством, вынуждающим электрон двигаться с ускорением, пре-
вращается в энергию электромагнитного излучения.
В радиотехнике основное практическое применение нашел ме-
тод использования ускоренного движения свободных электронов,
находящихся в огромном количестве в телах проводников.
Очевидно, что создать ускоренное движение электронов в одном
направлении длительно практически невозможно, поэтому прихо-
ББК 32.841
УДК 621.38
М22
Рецензенты: доктор техн, наук., профессор С. П. Новицкий,
доктор техн, наук., профессор И. Н. Пустынский
Мамчев Г. В.
М22 Основы радиосвязи и телевидения. Учебное пособие для вузов. -
М: Горячая линия-Телеком, 2007. -416 с.: ил.
ISBN 5-93517-267-4
Рассмотрены общие принципы передачи сигналов по радиотракгам, основ-
ные характеристики сигналов телевизионного вещания, принципы построения
систем передачи изображений, основные узлы телевизионного оборудования,
стандарты цветного телевидения, способы формирования и передачи сигналов
изображения высокой четкости, методы оценки качества передачи изображений,
перспективные системы телевизионного вещания.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности 210404 - «Многока-
нальные телекоммуникационные системы» направления подготовки дипломиро-
ванного специалиста 210400 - «Телекоммуникации».
ББК 32.841
Адрес издательства в Интернет WWW. TECHBOOK.RU
Учебное издание
Мамчев Геннадий Владимирович
ОСНОВЫ РАДИОСВЯЗИ И ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Учебное пособие
Редактор и. н. Алексеева
Корректор Е. Н. Мартьянова
Художник В. Г. Ситников
Подготовка оригинал-макета И. Н, Алексеевой
Лицензия ЛР № 071825 от 16.03.99 г.
Подписано к печати 12.08.2006. Формат 60х881/1в.
Усл. печ. л. 26. Изд. № 6267. Тираж 2000 экз.
Заказ № 6973.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО ордена «Знак Почата»
«Смоленская областная типография им. В. И. Смирнова»
214000, г. Смоленск, проспект им. Ю. Гагарина, 2.
ISBN 5-93517-267-4 © Г в- Мамчев, 2007
© Оформление издательства
«Горячая линия-Телеком», 2007
Введение
5
дится ускорение в одном направлении сменять замедлением, т.е.
ускорением в противоположном направлении. Подобный цикл мо-
жет быть повторен неоднократно. Это можно осуществить путем
присоединения каких-либо проводников к зажимам источника пере-
менной ЭДС, под действием которой свободные электроны провод-
ника начинают совершать колебательное движение, создавая элек-
тромагнитное излучение в окружающем пространстве. Такой провод-
ник, преобразующий энергию источника переменной ЭДС в энергию
электромагнитных волн, называется передающей антенной.
Теория Максвелла позволила установить, что скорость распро-
странения электромагнитных волн в какой-либо среде V = с/д/ец,
где с - скорость распространения света в вакууме; е - диэлектриче-
ская, ар. - магнитная проницаемости среды. Для воздуха ц « е = 1,
а скорость распространения электромагнитных волн близка к скоро-
сти света в вакууме: V= с~ 300 000 км/с.
Колебания электронов в антенне создаются источником перио-
дически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый мо-
мент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же
значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существо-
вавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле пе-
реместится на расстояние X, называемое длиной волны, т.е. мини-
мальное расстояние между двумя точками пространства, поле в
которых имеет одинаковое значение. Длина волны X зависит от ско-
рости ее распространения и периода колебаний электронов в ан-
тенне.
История развития техники как радиопередающих, так и радио-
приемных устройств берет начало 7 мая 1895 г., когда русским фи-
зиком и электротехником А.С. Поповым были построены и проде-
монстрированы первые радиоустройства, а в 1897 г. запатентованы
итальянским изобретателем Г. Маркони. В марте 1896 г. впервые в
мире А.С. Попов осуществил радиопередачу осмысленного текста
«Генрих Герц» на расстояние 250 м. В дальнейшем для увеличения
дальности радиосвязи А.С. Попов применил антенну на передатчи-
ке, и к 1897 г. ему удалось перекрыть связью расстояние до 5 км,
а к 1899 г. - до 45 км. В радиопередатчике А.С. Попова использо-
вался единственно известный в то время принцип получения коле-
баний высокой частоты - с помощью искрового разряда. Отсюда
название таких радиопередатчиков - искровые.
Наряду с совершенствованием искровых радиопередатчиков во
втором десятилетии XX века для генерации колебаний высокой час-
тоты начали широко использоваться устройства, основанные на
применении других принципов. Так, были получены незатухающие
Основы радиосвязи и телевидения
высокочастотные колебания в резонансном контуре, присоединенг
ном параллельно к вольтовой дуге (дуговые радиопередатчики)?
В этих передатчиках использовалось наличие падающего участка
вольтамлерной характеристики дуги, соответствующего отрица-
тельному сопротивлению. Это сопротивление компенсирует в кон-
туре генератора сопротивление потерь, и в нем возникают незату-
хающие колебания. Радиотелеграфные сигналы передавались
изменением частоты высокочастотных колебаний с помощью замы-
кания и размыкания части-витков катушки индуктивности колеба-
тельной системы. Незатухающие колебания генерировались также
с помощью электромашины высокой частоты (машинные радиопе-
редатчики).
Машинные и дуговые радиопередатчики к концу 1914 г. практи-
чески полностью вытеснили искровые. В нашей стране были
построены мощные дуговые передатчики под руководством
В.М. Лебедева и М.В. Шулейкина. Один из них мощностью 110 кВт
был установлен в 1920 г. в Москве.
Как дуговые, так и машинные радиопередатчики имели ряд су-
щественных недостатков: сложность генерирования, усиления и
управления высокочастотными колебаниями в широком диапазоне
частот и мощностей, низкая стабильность частоты, сложность про-
ектирования и изготовления. Поэтому к 30-м годам прошлого столе-
тия дуговые и машинные радиопередатчики были полностью вы-
теснены ламповыми.
Первые ламповые радиопередатчики появились в 1914-1916 го-
дах. Первые отечественные генераторные лампы были созданы
в 1914 г. Н.Д. Папалекси. В развитии и распространении ламповых
передатчиков большую роль сыграла Нижегородская радиолабора-
тория, созданная в 1918 г.
Уже в 1930-х годах и особенно в 1940-е годы началось интенсив-
ное освоение метрового, дециметрового и сантиметрового диапазо-
нов волн. Именно благодаря использованию этих диапазонов уда-
лось осуществить высококачественную передачу телевизионных
изображений, внедрить в практику частотную модуляцию, широко
использовать для передачи сообщений радиорелейные и спутнико-
вые линии связи. Освоение новых диапазонов потребовало созда-
ния новых электронных приборов для усиления и генерирования
сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ). В частности, были разра-
ботаны магнетроны, многорезонаторные пролетные клистроны,
лампы бегущей волны.
Качественно новый этап развития техники радиоприемных уст-
ройств, как и радиопередающей аппаратуры, начался с применения
Введение
7
электронных ламп - диода (1904 г.), использовавшегося преимуще-
ственно в качестве детектора, и особенно триода (1907 г.), приме-
нение которого для усиления мощности принятых сигналов обеспе-
чило многократное повышение чувствительности ламповых прием-
ников по сравнению с детекторными.
В 1918 г. был разработан обладающий значительными преиму-
ществами супергетеродинный метод приема, однако его широкое
внедрение стало реальным только с появлением в тридцатые годы
прошлого столетия экранированных ламп - тетродов, пентодов, и
других многосеточных усилительно-преобразовательных ламп.
С начала 1930-х годов этот метод приема является основным во
всем радиодиапазоне волн. t
В этот же период в связи с перегруженностью освоенных радио-
диапазонов и потребностями высококачественного телевизионного
вещания усиленно изучался и осваивался диапазон ультракоротких
волн (УКВ), для повышения качества и надежности радиоприема
разрабатывались эффективные методы модуляции и борьбы с по-
мехами.
В решении проблемы помехоустойчивости радиоприема возник-
ло новое направление, основанное на изучении и использовании
различий в статистических характеристиках сигналов и помех с по-
мощью методов теории передачи информации. Одним из важней-
ших достижений на этом направлении было создание в 1946 г. тео-
рии потенциальной помехоустойчивости приема, на базе которой
развивается современная теория анализа и синтеза радиосистем,
оптимальных по помехоустойчивости.
В 1950-е годы начался новый этап развития техники радиоприе-
ма на основе достижений полупроводниковой электроники. Широ-
кому внедрению полупроводниковых приборов способствовало изо-
бретение в 1947 г. транзистора. Быстрый процесс «транзисториза-
ции» привел к вытеснению электронных ламп из радиоприемной
аппаратуры умеренно высоких частот, а разработка малошумящих
полупроводниковых параметрических усилителей и появление тун-
нельного диода, также использовавшегося для малошумящего уси-
ления, вытеснили электронные лампы в сверхвысокочастотном
(СВЧ) диапазоне. Замена ламп транзисторами в технике радиопе-
редающих устройств вызвана значительными преимуществами этих
приборов: малыми массой и габаритными размерами, мгновенной
готовностью к работе, долговечностью, низковольтным питающим
напряжением. В настоящее время транзисторы используются как
в маломощных радиопередатчиках и возбудителях, так и в передат-
чиках средней мощности. При этом наряду с биполярными в пере-
8 Основы радиосвязи и телевидения
дающих устройствах применяют полевые транзисторы. По мере
разработки все более высокочастотных генераторных транзисторов
создаются радиопередатчики с использованием транзисторов, ра-
ботающих на частотах до нескольких гигагерц.
В 1960-х годах начинает развиваться микроэлектроника, а 1980-е
годы характеризуются широким внедрением в радиоприемных уст-
ройствах сначала аналоговых, а затем и цифровых интегральных
микросхем, что наряду с дальнейшим повышением надежности и
улучшением других технических показателей радиоприемников
позволило осуществлять сложные методы приема и обработки
сигналов.
Фактически одновременно с развитием техники радиосвязи раз-
рабатывались первые телевизионные системы.
Термин «телевидение» возник в 1890 г. Его впервые употребил
на Международном конгрессе в Париже русский инженер-электрик
К.Д. Перский в докладе «Электрическое телевидение».
Человек живет в макромире, воспринимая его, главным обра-
зом, через зрение. Окружающий мир люди воспринимают трех-
мерным, в красках и динамике. И только вековая привычка позво-
ляет людям довольствоваться двумерным изображением объем-
ных объектов, воспроизводимых весьма распространенными и
признанными видами искусства и техники (живопись, фотография,
кино, телевидение).
Конечным индикатором при телевизионной передаче является
глаз, поэтому телевизионная система должна строиться с учетом
нашего зрительного органа. Например, в основу построения телеви-
зионных систем положены временная и пространственная дискрет-
ность глаза. При этом задача телевидения заключается в передаче
на расстояние с помощью радиотехнических устройств изображе- -
ний объектов и в одновременном воспроизведении их на экране те-
левизионных приемников. С этой целью оптическое изображение
преобразуется в электрические сигналы, затем электрические сиг-
налы передаются по каналу связи и на приемной стороне вновь
преобразуются в оптическое изображение. Таким образом, телеви-
дение является наукой об электрических способах передачи визу-
альной, т.е. зрительной информации. Роль телевидения в совре-
менных средствах доставки информации человеку является весьма
значительной и непрерывно растет, так как в общем случае через
зрительные органы чувств человеку поступает около 80% всей ин-
формации.
Большой вклад в решение проблемы телевидения внесли отече-
ственные ученые. Особенно велики заслуги русских ученых
Введение
9
А.Г. Столетова, установившего в 1888-1890 годах основные законы
внешнего фотоэлектрического эффекта, изобретателя радио’
А.С. Попова, П.И. Бахметьева, предложившего в 1880’г. независимо
от португальца А. де Пайва и француза К.М. Сенлека идею после-
довательной передачи изображения по элементам, которая исполь-
зуется в современном способе телевизионной развертки. Очень
значителен вклад Б.Л. Розинга, разработавшего в 1907 г. систему
«катодной телескопии» с использованием электронно-лучевой труб-
ки (ЭЛТ) для воспроизведения изображения и осуществившего
в 1911 г. одну из первых в мире телевизионных, передач. Работы
А.А. Чернышева, А.П. Константинова, С.И. Катаева, П.В. Шмакова,
П.В. Тимофеева, Г.В. Браузе были положены в основу создания те-
левизионных передающих трубок.
Первые практические телевизионные системы были осуществ-
лены в 1925 г. Дж. Бердом в Великобритании и Ч.Ф. Дженкинсом в
США, а в 1926 г. Л.С. Терменом в нашей стране. В 1926 г. Д. Бердом
были организованы опытные телевизионные передачи с помощью
радиостанции вблизи Лондона с четкостью 30 строк. В нашей стра-сх
не экспериментальные передачи телевизионного изображения с
малым числом строк разложения (всего 30 строк при 12,5 кадрах в
секунду) из Москвы в Санкт-Петербург были проведены в октябре
1931 г. под руководством П.В. Шмакова. Первые действующие те-
левизионные системы были механическими, использующими диск
Нипкова для развертки изображений. Основным недостатком по-
добных систем являлась низкая четкость воспроизведения изобра-
жений. Принципиальные недостатки телевизионных систем механи-
ческого типа не позволяли улучшить качество получаемых изобра-
жений, избавиться от вращающегося диска, находящегося непо-
средственно перед телезрителями.
Однако уже в тридцатые годы прошлого столетия в ряде стран
были созданы предпосылки ддя развития электронного телевизион-
ного вещания. Например, в нашей стране в 1937 г. было завершено
строительство двух телецентров электронного типа: в Санкт-
Петербурге - полностью на отечественном оборудовании со стан-
дартом разложения 240 строк и в Москве - на зарубежном оборудо-
вании со стандартом 343 строки. С 1948 г. началось вещание Мос-
ковского телецентра по стандарту разложения 625 строк.
Важным этапом в развитии телевидения явилось внедрение
цветного телевизионного вещания, регулярные передачи которого в
нашей стране начались 1 октября 1967 г. по системе SECAM-III.
Наибольшее распространение телевидение нашло в гуманитар-
ной сфере человеческой деятельности, а именно в сфере телеви-
10
Основы радиосвязи и телевидения
знойного вещания, которое является наиболее массовым средством
информации, культуры, образования. В то же время, все более ши-
рокие масштабы принимает использование телевидения в научных
исследованиях, в промышленности, на транспорте, в строительстве,
в медицине и т.п. Например, в последние годы телевидение стало
применяться в учебном процессе, что позволяет повысить качест-
во преподавания и снизить материальные расходы на одного уча-
щегося .
Исключительно важно значение телевидения в освоении косми-
ческого пространства. Началом использования телевидения в кос-
мических исследованиях следует считать 7 октября 1959 г. В этот
день с помощью фототелевизионной аппаратуры, установленной на
космической станции «Луна-3», впервые в истории было произведе-
но фотографирование и осуществлена передача на Землю изобра-
жения обратной стороны Луны. Во всех последующих полетах
космических кораблей неизменным помощником ученых было теле-
видение. Оно использовалось для наблюдений за жизнедеятельно-
стью космонавтов, находящихся как внутри, так и вне корабля; при
передаче на Землю телевизионных изображений поверхностей
Луны и Марса; для наблюдения с искусственных спутников Земли
(ИСЗ).
В ближайшем будущем телевидение перейдет на новую качест-
венную ступень развития. В первом десятилетии двадцать первого
века аналоговое телевидение со всеми присущими ему искажения-
ми станет частью истории, поскольку наземные, спутниковые и
кабельные системы передачи, по которым происходит доставка
телевизионных программ телезрителям, постепенно переходят на
цифровые методы. Применение цифровых методов обработки, пе-
редачи и консервации телевизионных сигналов позволяет не только
повысить качество воспроизводимых изображений, но и обеспечить
высококачественное звуковое сопровождение. Цифровые телевизи-
онные системы открывают широкие возможности для создания мно-
гопрограммного телевизионного вещания, в том числе и в сети
Интернет, способствуют внедрению телевидения высокой четкости
(ТВЧ), позволяют придать телевидению интерактивный характер.
Важным шагом в развитии цифрового телевизионного вещания в
нашей стране явилось решение Правительства РФ от 25 мая 2004 г.
о внедрении в России европейской системы цифрового телевизион-
ного вещания DVB (Digital Video, Broadcasting - цифровое видеове-
щание).
В настоящее время значительные усилия прилагаются для
строительства эффективных сетей распределения телевизионных
^Введение
11
программ различного уровня (федеральных, региональных, мест-
ных). Например, для цифровой передачи телевизионных программ
в отдельные регионы страны планируется использовать магист-
ральные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), для некоторых
телевизионных программ организовано дополнительное вещание
через сеть Интернет, началось строительство сотовых систем теле-
видения. В ряде городов нашей страны уже построены первые ка-
бельные мультисервисные сети, которые являются системами ши-
рокополосного доступа. В данном случае абоненты, подключенные
к такой сети, способны принимать с высоким качеством большое
количество телевизионных программ, имеют возможность подсое-
динения к различным компьютерным сетям, обеспечены высокоско-
ростным доступом к сети Интернет.
1. ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ
1.1. Общие схемы организации радиосвязи
Система передачи информации, в которой сигналы электросвязи
передаются посредством радиоволн в открытом пространстве, назы-
вается радиосистемой. Радиосистемы подразделяются на радиоли-
нии и радиосети.
По способу организации радиолиний различают одностороннюю
и двустороннюю радиосвязь. Радиосвязь, при которой одна из ра-
диолиний осуществляет только передачу, а другая - только прием,
называется односторонней. Односторонняя радиосвязь, при кото-
рой радиопередачу одной (основной) радиостанции могут прини-
мать одновременно несколько корреспондентов, называется цирку-
лярной. Примерами односторонней циркулярной передачи сообще-
ний являются системы оповещения, службы передачи сообщений и'з
пресс-центров редакциям газет, журналов и т.д. Сети телевизионно-
го и звукового вещания также представляют собой типичные образ-
цы циркулярного способа организации радиосвязи. При этом радио-
передающая станция, среда распространения радиосигналов (от-
крытое пространство) и каждое радиоприемное устройство, нахо-
дящееся в зоне действия станции, образуют одностороннюю радио-
линию, а совокупность таких радиолиний - сеть радиовещания.
Двусторонняя радиосвязь предполагает возможность передачи и
приема информации каждой радиостанцией. Для этого нужны два
комплекта оборудования односторонней связи, т.е. в каждом пункте
надо иметь и передатчик и приемник. Двусторонняя связь может
быть симплексной и дуплексной (рис. 1.1). При симплексной радио-
связи передача и прием на каждой радиостанции ведутся пооче-
редно. Радиопередатчики в конечных пунктах линии связи в этом
случае работают на одинаковой частоте, на ту же частоту настрое-
ны и приемники.
При дуплексной радиосвязи радиопередача осуществляется од-
новременно с приемом. Для каждой дуплексной линии радиосвязи
должны быть выделены две разные частоты. Это делается для то-
го, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с про-
тивоположного пункта и не принимал сигналы собственного радио-
передатчика. Радиопередатчики и радиоприемники обоих коррес-
пондентов дуплексной радиосвязи включены в течение всего вре-
мени работы линии радиосвязи.
1. Принципы радиосвязи
13
Рис. 1.1. Функциональные схемы организации двусторонней радиосвязи:
а - симплексная радиосвязь; б - дуплексная радиосвязь
Симплексная связь используется, как правило, при наличии от-
носительно небольших информационных потоков. Для систем пе-
редачи с большой информационной нагрузкой характерна дуплекс-
ная связь.
Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом коррес-
пондентов, то организуется радиосеть (рис. 1.2). В этом случае одна
радиостанция, называемая главной, может передавать сообщения
как для одного, так и для нескольких подчиненных корреспондентов.
Ее радист-оператор контролирует режим работы в радиосети и непо-
средственно устанавливает очередность на передачу подчиненных
станций. Последние при соответствующем разрешении могут обме-
ниваться информацией не только с главной радиостанцией, но и ме-
жду собой. Этот вариант организации радиосети может быть постро-
ен на основе как сложного симплекса (см. рис. 1.2, а), так и сложного
дуплекса (см. рис. 1.2, б). В первом случае возможно использование
радиостанций (радиопередатчиков), работающих на одной (общей)
радиоволне (частоте). Во втором" случае главная радиостанция ведет
передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу
подчиненных радиостанций). 4
Любая радиолиния передачи информации (связная, звукового или
телевизионного вещания) содержит на концах радиопередающие и
радиоприемные устройства, снабженные антеннами. Передающая
антенна излучает электрический сигнал передатчика в виде радио-
волны. Приемная антенна улавливает радиоволну, и с ее выхода
электрический сигнал поступает на вход приемника. Линии передачи
электромагнитной энергии, соединяющие антенну с радиопередатчи-
ком или с приемником, называются фидерами. Антенно-фидерные
устройства - очень важные элементы линии радиосвязи. На практике
очень часто применяются антенны, обладающие направленным дей-
ствием. При передаче направленная антенна излучает энергию ра-
диоволн в определенном направлении. Чем больше направленность
14
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 1.2. Функциональные схемы организации радиосети
а - сложный симплекс; б - сложный дуплекс
антенны, тем при меньшей мощности передатчика возможна радио-
связь. Приемные направленные антенны увеличивают отношение
сигнал-помеха на входе приемного устройства, что также позволяет
уменьшить необходимую мощность радиопередатчика.
Успешная работа радиолиний зависит не только от конструктив-
ных особенностей и качества изготовления радиоаппаратуры. При
сооружении и эксплуатации радиолиний необходимо учитывать
особенности распространения радиоволн на пути от передающей
до приемной антенны. Эти особенности различны в зависимости от
диапазона частот. Деление радиоволн на диапазоны в соответствии
с Регламентом радиосвязи приведено в табл. 1.1. Радиоволны на
радиолиниях распространяются в естественных условиях, а эти ус-
ловия разнообразны и непостоянны. Прежде всего необходимо учи-
1. Принципы радиосвязи
15
Таблица 1.1. Классификация деления радиоволн на диапазоны
Частоты Длина волн Метрическое наименование диапазона волн Наименование диапазона частот Поддиапазон волн
От 3 до 30 кГц От 100 ДО 10 КМ Мириаметровые Очень низкие (ОНЧ) Сверхдлинные (СДВ)
От 30 до 300 кГц От 10 до 1 км Километровые Низкие (НЧ) Длинные (ДВ)
От 0,3 до 3 МГц От 1 км до 100 м Гектометровые Средние (СЧ) Средние (СВ)
ОтЗдо 30 МГц От 100 ДО 10 м Декаметровые Высокие (ВЧ) Короткие (КВ)
От 30 до 300 МГц От 10 до 1 м Метровые Ультравысокие (УВЧ)
От 0,3 до ЗГГц От 1 м до 1 дм Дециметровые Сверхвысокие (СВЧ) Ультракорот- кие УКВ
От 3 до 30 ГГц От 10 до 1 см Сантиметровые Крайне высо- кие КВЧ
От 30 до 300 ГГц От 10 ДО 1 ММ Миллиметровые
От 300 до 3000 ГГц От 1 ДО 0,1 ММ Децимиллиметровые
тывать, что Земля круглая. На пути от передающей до приемной
антенны радиоволны должны обогнуть выпуклость Земли.
Сами по себе электромагнитные колебания информации не несут.
Для передачи информации необходимо на электромагнитные коле-
бания наложить отпечаток сообщения, т.е. использовать высокочас-
тотные электромагнитные колебания лишь в роли переносчика со-
общения, содержащего информацию. С этой целью нужно изменять
один или несколько параметров несущего колебания (например, ам-
плитуду, частоту, фазу и другие параметры) в соответствии с изме-
нениями сообщения. Тогда получается высокочастотное колебание
с меняющимися во времени параметрами по закону передаваемого
сообщения. Рассмотренный процесс называется модуляцией.
Таким образом, всякое радиопередающее устройство должно
состоять из генератора электрических колебаний, подключенного
16
Основы радиосвязи и телевидения
к передающей антенне, и модулятора, с помощью которого осуще-
ствляется модуляция.
В приемном пункте должно находиться устройство, преобразую-
щее энергию электромагнитных волн в энергию электрических ко-
лебаний, т.е. приемная антенна. Антенна улавливает электромаг-
нитные волны, излучаемые разными передатчиками, работающими
на различных частотах. Чтобы принимать сигналы только одной
станции, необходимо иметь избирательное устройство, способное
выделить из колебаний различных частот только те колебания, ко-
торые передаются нужной радиостанцией. Для решения этой зада-
чи используются электрические колебательные контуры, настраи-
ваемые на частоту принимаемой радиостанции.
Выделенные с помощью колебательного контура высокочастот-
ные колебания нужно подвергнуть обратному преобразованию, т.е.
получить из них токи или напряжения, изменяющиеся в соответствии
с законом модуляции электрических колебаний в радиопередатчике.
Для решения этой задачи приемник должен иметь специальное уст-
ройство, которое называется детектором.
Наконец, выделенный сигнал нужно подать на некоторое оконеч-
ное устройство, которое запишет его или позволит человеку вос-
принимать его в виде звука или света (изображения).
1.2. Распространение радиоволн в земных условиях
1.2.1. Излучение радиоволн
Любой колеблющийся электрический заряд является источником
переменного электромагнитного поля, излучающего в окружающее
пространство. Излучение зарядом электромагнитной волны можно
пояснить следующим образом. Рассмотрим два проводящих шара,
находящихся на расстоянии L друг от друга (рис. 1.3) [1]. Такая сис-
тема называется электрическим диполем. После выключения гене-
ратора шары будут заряжаться и разряжаться. При этом по проводу
L протекают токи зарядки и разрядки емкости, образованной шара-
ми. Емкость шаров много больше емкости отрезков ab и cd провода
L, поэтому током смещения между отрезками провода можно пре-
небречь. Можно считать, что ток проводимости, протекающий
в проводе L, замыкается только через ток смещения, протекающий
в пространстве между шарами. В этом случае амплитуда тока /
вдоль провода L остается постоянной. Такой электрический диполь
называют диполем Герца.
На рис. 1.3 графически изображено распределение амплитуды
тока вдоль провода диполя. На этом же рисунке показаны силовые
1. Принципы радиосвязи
17
Рис. 1.3. Схема возникновения электромагнитной волны,
излучаемой диполем Герца
линии электрического поля диполя для момента времени, когда ша-
ры заряжены. Линии тока смещения расположены в пространстве
так же, как и линии электрического поля. При работе генератора
переменный ток смещения вызывает появление переменного-маг-
нитного поля, силовые линии которого окружают линии тока смеще-
ния. В свою очередь переменное магнитное поле по закону элек-
тромагнитной индукции вызывает в окружающем пространстве по-
явление переменного электрического поля и соответствующего тока
смещения и т.д. Рассмотренный процесс распространяется в окру-
жающей среде самоподдерживаясь. Если, например, выключить '
генератор, питающий диполь, то в окружающей среде продолжает
распространяться возникшая электромагнитная волна - ток смеще-
ния вызывает переменное магнитное поле, которое, в свою оче-
редь, создает переменное электрическое поле и ток смещения в
соседних областях пространства. Если генератор, возбуждающий
диполь, генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому
закону U= Um sincof, то и электромагнитное поле изменяется во вре-
мени по гармоническому закону с той же частотой ох
Скорость распространения фазы электромагнитной волны назы-
вают фазовой скоростью. Фазовая скорость электромагнитной вол-
ны в диэлектрике равна
где р. - магнитная проницаемость среды; е - диэлектрическая про-
ницаемость среды.
2-6973
18
Основы радиосвязи и телевидения
В свободном пространстве £ = Eq = 8,85-10-12 Ф/м, ц = Цо = 4л-10-7
Гн/м и Уф « 3-10'8 м/с, т.е. равна скорости света.
Расстояние, которое проходит определенная фаза волны за
время одного периода колебаний Т, называется длиной волны:
Л = УфТ=УфД.
Поверхность, на которой фаза волны одинакова, называется
фронтом волны. На больших расстояниях г от диполя при выполне-
нии условия г » L фаза волны одинакова на поверхности сферы.
Такая волна называется сферической.
Диполь Герца обычно в качестве антенны не применяют. Однако
любую проволочную антенну можно представить состоящей из эле-
ментарных отрезков провода, в пределах каждого из которых
амплитуда тока может считаться неизменной. Такой отрезок назы-
вают элементарным электрическим вибратором, аналогичным ди-
полю Герца.
1.2.2. Строение атмосферы Земли
В земных условиях радиоволны распространяются в атмосфере.
Атмосферу разделяют по высоте на три области: тропосферу, стра-
тосферу и ионосферу. Нижняя область - тропосфера простирается
дб высоты 7... 10 км в полярных районах и до 16... 18 км над эквато-
ром. Тропосфера переходит в стратосферу, верхняя граница кото-
рой находится на высоте около 50...60 км. Стратосфера отличается
от тропосферы почти полным отсутствием водяного пара, осадки
образуются только в тропосфере. Тропосфера и стратосфера
влияют только на распространение УКВ.
На высоте более 60 км воздух находится в ионизированном со-
стоянии. Эту область называют ионосферой. Ионосфера в той или
иной степени влияет на распространение радиоволн всех диапазо-
нов, так как радиоволны вызывают в ней движение свободных заря-
дов. Главной причиной ионизации воздуха и образования ионосфе-
ры является излучение Солнца. Установлено, что ионизацию атмо-
сферы могут вызвать только ультрафиолетовые лучи, имеющие
длину волны меньше 0,1 мкм. Ионизация атмосферы вызывается
также потоком частиц (корпускул), испускаемых Солнцем. Коротко-
волновые ультрафиолетовые лучи и корпускулы не достигают тро-
посферы, и воздух в ней практически не ионизирован. Ионизация
становится заметной на высотах более 50...60 км.
Эксперименты показали, что в ионосфере имеется несколько
слоев, от которых происходит отражение радиоволн, т.е. существу-
ют несколько максимумов электронной концентрации.
1. Принципы радиосвязи
19
Рис. 1.4. Зависимость электронной концентрации в ионосфере от высоты
На рис. 1.4 изображена типичная зависимость электронной кон-
центрации N от высоты h для дневного времени летом, когда в
ионосфере наблюдается наибольшее число слоев.
Рассмотрим особенности ионосферных слоев. Слой D образует-
ся в области, где сравнительно велика плотность газа и рекомбина-
ция свободных зарядов происходит быстро. Поэтому этот слой
существует только днем и очень быстро исчезает после захода
Солнца, когда прекращается ионизирующее воздействие. Летом
критическая частота слоя D, под которой понимается наибольшая
частота радиоволны, отражающейся при вертикальном падении на
ионосферу, больше, чем зимой. Слой отражает мириаметровые,
километровые и частично гектометровые волны, более короткие
волны проходят через него, частично в нем поглощаясь..
Слой Е существует круглые сутки, но его электронная концен-
трация днем намного больше, чем ночью, и изменяется в соответ-
ствии с высотой Солнца над горизонтом. Слой Е днем, особенно
летом, способен отражать декаметровые волны. Ночью декаметро-
вые волны от слоя Е не отражаются. Гектометровые и более длин-
ные волны отражаются от слоя в любое время года и суток.
Зимой выше слоя Е существует только один максимум электрон-
ной концентрации - слой F Его концентрация достигает максимума
после полудня и минимума - утром. Летом слой F расщепляется на
два слоя - F| и F2. Электронная концентрация в слое F2 изменяется
в течение суток менее сильно, чем в слое Fзимой. Слой Fотражает
декаметровые и иногда длинные метровые волны.
Помимо изменений состояния ионосферы, связанных с време-
нем года и суток, существуют также регулярные изменения, обу-
словленные цикличностью солнечной активности. В годы максиму-
ма солнечной активности критические частоты слоя F возрастают
в 2-3 раза по сравнению с годами минимума.
2*
20
Основы радиосвязи и телевидения
1.2.3. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере
Рассмотрим преломление плоской радиоволны, падающей под
углом фо на границу ионосферы, которую для упрощения задачи
считаем плоской (рис. 1.5). Мысленно разобьем ионосферу на тон-
кие участки, считая, что в пределах каждого из них электронная
концентрация N остается неизменной и изменяется скачком на гра-
нице соседних участков. Применяя закон преломления последова-
тельно к соседним участкам, получаем
п0 sin(p0 = п, sintp, = пг sin<p2 =К = л, sinф,,
где л0, Лп л2..л, - коэффициенты преломления соответственно
соседних участков ионосферы. Следовательно, траектория радио-
волны в ионосфере определяется выражением
лз1пф = const.
С высотой концентрация N увеличивается, достигая на некото-
рой высоте максимума, а затем уменьшается (см. рис. 1.4). Для от-
ражения радиоволны от ионосферы необходимо, чтобы ниже слоя
с максимальной электронной концентрацией Nmax фронт волны аб
расположился перпендикулярно границе слоя (рис. 1.6, а). В этом
случае верхняя часть фронта продолжает распространяться в об-
ласти с меньшим значением л. Скорость распространения верхней
части фронта Уа больше скорости Нижней границы Уь. Вследствие
этого фронт волны повернется в сторону Земли и радиоволна вер-
нется на Землю. Условие отражения радиоволны в ионосфере мож-
но записать в виде следующего соотношения:
л0 з!пф0 = лотр sin90°,
где лотр - коэффициент преломления в области отражения. В ко-
нечном случае
&пф0= .1-80,8^, (1.1)
N f
где А/отр - электронная концентрация отражающего слоя ионосфе-
ры; f-частота электромагнитных колебаний (радиоволн).
При этом также должно выполняться условие А/отр < Nmax. Если
равенство (1.1) не выполняется до высоты, где N = Nmax, то фронт
волны не повернется в сторону Земли и волна уйдет в мировое про-
странство. Это объясняется тем, что верхняя граница фронта а (рис.
1.6, б) окажется в области с меньшей электронной концентрацией N,
т.е. с большим значением л и меньшей фазовой скоростью Уф .
1. Принципы радиосвязи
21
Рис. 1.5. Схема преломления радиоволн в слоистой среде
Рис. 1.6. Траектории радиоволн, преломляющихся в ионосфере:
а - при отражении в сторону Земли; б - в случае отсутствия отражения
Если радиоволна падает на ионосферу перпендикулярно ее гра-
нице (<р0 =0), то отражение радиоволны происходит при выполне-
нии условия
гд/
sin ф0 = 0 = J1 - 80,8-^- или ф0 = >/80,8Л/отр ,
где f0 - частота радиоволны, отражающейся при вертикальном па-
дении на ионосферу.
Если известна частота f0- то можно найти частоту радиоволны f,
способной отразиться в этой же области ионосферы при наклонном
падении, т.е. f = f0 зесф0 (закон секанса) [1].
1.2.4. Распространение сантиметровых, дециметровых
и метровых радиоволн
Радиоволны длиной короче 10 м называют ультракороткими. Эти
волны охватывают очень широкий диапазон частот. Ширина диапа-
зона частот только сантиметровых волн составляет 27 000 МГц, что
22
Основы радиосвязи и телевидения
в тысячу раз превышает ширину диапазона частот декаметровых
волн (см. табл. 1.1). Поэтому на УКВ возможна передача намного
больших потоков информации, чем на более длинных волнах. Только
на УКВ возможно телевидение и высококачественное радиовещание
с использованием частотной модуляции (ЧМ).
Земная волна на УКВ обеспечивает связь практически только
в пределах прямой видимости (рис. 1.7). За ее пределами в естест-
венных условиях УКВ могут устойчиво распространяться только за
счет рассеяния в ионосфере и в тропосфере. Однако для обеспече-
ния связи за счет рассеяния требуются очень мощные радиопере-
датчики и сложные антенные сооружения.
Для увеличения расстояния прямой видимости антенны радио-
телевизионных передающих станций и станций звукового ЧМ веща-
ния устанавливают на высоких башнях. Для передачи радиосигна-
лов на большие расстояния в диапазоне УКВ используют наземные
радиорелейные линии и ретрансляторы, расположенные на искус-
ственных спутниках Земли.
Предельное расстояние прямой видимости между антеннами г0
получается тогда, когда луч, соединяющий антенны, касается зем-
ной поверхности. Эмпирически установлено, что г0 в километрах
определяется выражением
г0=3,57(А + л/^). (1-2)
где /?, и h2 - соответственно высоты передающей и приемной ан-
тенн, м. Напряженность поля при связи в пределах прямой видимо-
сти можно определить по формуле акад. Б.А. Введенского:
- 2,187^^/72
° ггХ
где Ed - действующее (эффективное) значение напряженности по-
ля, мВ/м; Р- мощность радиопередатчика, кВт; г- расстояние меж-
ду приемной и передающей антеннами, км (r< r0); X - длина волны
электромагнитных колебаний, м; D - коэффициент направленного
действия антенны.
Рис. 1.7. Распространение радиоволн в пределах прямой видимости
1. Принципы радиосвязи
23
Рассмотрим влияние тропосферы на распространение УКВ. Ко-
эффициент преломления воздуха п очень мало отличается от едини-
цы. У поверхности Земли в среднем п = 1,003. На практике прелом-
ляющие свойства воздуха оценивают индексом преломления
Л/ = (л-1)-106,
пользоваться которым удобнее, чем л. Индекс преломления N зави-
сит от влажности, давления и температуры воздуха: с увеличением
давления и влажности увеличивается, а при повышении температу-
ры - уменьшается. Параметры воздуха зависят от высоты и от ме-
теорологических условий. Зависимость N от высоты оценивают гра-
диентом индекса преломления
g = dN/dh.
Зависимость коэффициента преломления от высоты приводит
к искривлению траекторий радиоволн в тропосфере, которое назы-
вается тропосферной рефракцией. Такое искривление характери-
зуют радиусом кривизны луча
р = -1070-
Радиус привязки положителен, так как g < 0. При этом фазовая
скорость волны с высотой возрастает, верхняя граница фронта рас-
пространяется быстрее нижней и луч искривляется в сторону поверх-
ности Земли. Такая рефракция называется положительной [1]. Тро-
посферная рефракция изменяет расстояние прямой видимости, оно
несколько увеличивается. С учетом рефракции значение постоянно-
го коэффициента в формуле (1.2) должно быть увеличено до значе-
ния, равного 4,52.
Если при положительной рефракции радиус кривизны траектории
р = R3 (R3 - радиус Земли), то возникает критическая рефракция
(рис. 1.8, а). При р < R3 наступает сверхрефракция (рис. 1.8, б). В этих
случаях электромагнитная волна может распространяться далеко за
пределы прямой видимости. Сверхрефракция возникает при выпол-
нении условия g < -0,157 1/м. При этом индекс преломления Л/дол-
жен очень быстро уменьшаться с высотой, что бывает в том случае,
когда температура воздуха с высотой не падает, как обычно, а воз-
растает. Такие условия называют температурной инверсией. Об-
ласть тропосферы, в которой возникает сверхрефракция, называют
тропосферным волноводом. Наиболее часто тропосферные волно-
воды возникают в приморских районах, когда существует большая
разница температур воздуха над сушей и над морем. В этих случаях
ветер может переместить теплый воздух, который расположится
над холодным, и возникнет температурная инверсия. Поскольку тро-
24
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 1.8. Траектории распространения радиоволн в тропосфере
а - при критической рефракции; б - при сверхрефракции
посферные волноводы возникают нерегулярно, их нельзя использо-
вать для построения радиолиний. Возможность возникновения тро-
посферных волноводов необходимо учитывать при распределении
частот на радиолиниях, чтобы избежать взаимных помех.
Другим механизмом сверхдальнего распространения УКВ являет-
ся тропосферное рассеяние. Тропосферные неоднородности, вызы-
вающие рассеяние, представляют собой области, в которых давле-
ние, влажность и температура воздуха отличаются от средних значе-
ний, наблюдаемых в окружающей среде. Примером неоднородностей
являются облака. Неоднородности возникают и при отсутствии об-
лачности за счет завихрений, образующихся при перемещении воз-
душных масс. Эти вихри присутствуют при любых метеорологических
условиях. Наиболее интенсивно неоднородности образуются на вы-
сотах 1...2 км. Каждая неоднородность отличается своей диэлектри-
ческой проницаемостью от окружающей среды. Это отличие невели-
ко (не более 20%), поэтому радиоволна, падающая на неоднород-
ность, в основном, проходит сквозь нее. Однако часть энергии радио-
волны при этом рассеивается в разные стороны. Зеркальное отраже-
ние неоднородность не вызывает, так как не имеет четкой границы.
Поле в точке приема образуется за счет сложения (интерферен-
ции) множества волн, рассеянных отдельными неоднородностями
в некотором объеме тропосферы. Сдвиги фаз между интерфери-
рующими волнами постоянно хаотически изменяются. В результате
значение суммарной напряженности изменяется по случайному за-
кону. Эти флуктуации поля называются интерференционными за-
мираниями. Сдвиги фаз между интерферирующими волнами зави-
сят от частоты. При широком спектре частот сигнала сдвиги фаз для
отдельных составляющих спектра оказываются различными: одни
составляющие в данный момент могут иметь максимальный уро-
вень, другие - минимальный. Если отдельные участки спектра за-
мирают неодновременно, замирания называют селективными. Се-
лективные замирания не позволяют передавать по тропосферным
линиям широкополосные сигналы, например, телевизионные.
Замирания сигнала при тропосферном рассеянии можно разде-
лить на быстрые и медленные. Интерференционные замирания яв-
1. Принципы радиосвязи
25
ляются быстрыми. Период замираний составляет секунды и их де-
сятые доли. Чем короче длина волны, тем сильнее изменяется
сдвиг фаз между интерферирующими волнами при движении рас-
сеивающих неоднородностей, тем меньше период замираний. Мед-
ленные замирания с периодом в несколько часов связаны с изме-
нениями метеорологических условий, от которых зависят парамет-
ры неоднородностей и условия рефракции радиоволн.
Для повышения устойчивости связи на линиях тропосферного
рассеяния применяют разнесенный прием. В этом случае форми-
руют несколько сирналов, несущих одно и то же сообщение, но за-
мирающих независимо друг от друга. Используют разнесение по
частоте и пространственное разнесение. При этом увеличивают ко-
эффициент направленного действия и площадь антенн. На тропо-
сферных радиолиниях обычно применяют зеркальные антенны,
имеющие площадь 400...900 м2.
Большое ослабление поля при связи за счет тропосферного рас-
сеяния заставляет применять радиопередатчики большой мощно-
сти - до нескольких десятков киловатт (на УКВ радиорелейных ли-
ниях прямой видимости мощность радиопередатчиков обычно не
превышает 10 Вт). Расстояние между соседними станциями тропо-
сферного рассеяния составляет 300...600 км. Применение радио-
линий тропосферного рассеяния целесообразно в малонаселенных
районах, где не имеет смысла часто располагать ретрансляционные
станции или прокладывать кабель.
Сверхдальнее распространение метровых волн возможно и за
счет влияния ионосферы. Это объясняется возникновением на высо-
те регулярного слоя Е спорадического слоя Es с повышенной элек-
тронной концентрацией, обусловленного сгоранием метеоров на вы-
сотах 80... 120 км. Протяженные области с повышенной электронной
концентрацией, способные рассеивать метровые волны, существуют
в течение долей секунды, а ийогда и в течение минуты. Регулярную
связь путем отражений от Евслоя организовать невозможно.
Регулярное сверхдальнее распространение метровых волн про-
исходит за счет рассеяния на неоднородностях электронной кон-
центрации, существующих в слое D и в нижних областях слоя Е.
Механизм этого распространения подобен тому, который наблюда-
ется при рассеянии в тропосфере. Большая высота области, в кото-
рой происходит ионосферное рассеяние, обеспечивает связь одним
скачком на расстояниях до 2000 км. Регулярную связь путем отра-
жений от Es слоя организовать невозможно.
Сверхдальнее распространение метровых волн происходит так-
же за счет отражения от ионизированных метеорных следов. В ат-
мосферу Земли ежегодно с космическими скоростями вторгаются
26
Основы радиосвязи и телевидения
десятки миллиардов метеоров, образующих ионизированные стол-
бы воздуха - метеорные следы. Некоторые из этих следов вызыва-
ют зеркальное отражение метровых волн, другие обеспечивают их
интенсивное рассеяние. Вследствие движения ионизированного
газа метеорные следы обычно расплываются в течение нескольких
секунд. В среднем сильное отражение радиоволн от метеорного
следа длится 0,2...0,4 с и повторяется несколько раз в минуту. Из-за
вращения Земли вокруг своей оси условия попадания метеоров
в атмосферу зависят от времени суток. Максимальное их число на-
блюдается утром, минимальное - вечером.
Метеорная связь прерывиста, так как уровень сигнала, достаточ-
ный для передачи информации, существует только во время появ-
ления на трассе метеорного следа. Для передачи информации по
метеорной линии связи информацию на передающем конце накап-
ливают в промежутках между метеорными вспышками, а во время
вспышки быстро передают по радиолинии.' В среднем передается
несколько килобит в секунду при мощности передатчика около
1 кВт. Дальность метеорной связи составляет около 2000 км. Орга-
низация связи за счет ионосферного рассеяния и отражения от ме-
теоров целесообразна в полярных районах, где ионосферные бури
часто нарушают распространение гектометровых волн, а прокладка
проводных линий и организация тропосферной связи из-за малой
плотности населения экономически нецелесообразны.
1.2.5. Особенности распространения и области применения
декаметровых волн
Поверхностные (земные) радиоволны, распространяющиеся не-
посредственно у поверхности Земли и частично за счет дифракции
огибающие выпуклость земного шара, в декаметровом диапазоне при
мощности радиопередатчика в несколько десятков киловатт могут
быть приняты на расстояниях не более нескольких десятков кило-
метров. Декаметровые (короткие) волны распространяются в основ-
ном в виде пространственных ионосферных волн. При отражении от
слоя F2 радиоволна может перекрыть одним скачком расстояние
3500...4000 км (расстояние скачка измеряется вдоль поверхности
Земли) (рис. 1.9). При отражении от слоев Е и Es максимальное рас-
стояние скачка равно 2000 км. Проводимость ионосферы на коротких
волнах сравнительно мала, и поглощение радиоволн в ионосфере
при правильном выборе рабочей частоты оказывается небольшим.
Благодаря этому короткие волны путем многократного отражения от
ионосферы и поверхности Земли могут обеспечить связь между
любыми точками на земном шаре без применения ретрансляторов
1. Принципы радиосвязи
27
Рис. 1.9. Пути распространения земной и ионосферных волн
Рис. 1.10. Распространение декаметровых волн на большие расстояния
путем многократного отражения от поверхности Земли и ионосферы
(рис. 1.10). Вместе с тем на декаметровых волнах невозможно орга-
низовать такие же широкополосные радиоканалы, как на УКВ. Де- •
каметровые волны применяют для звукового вещания на большие
расстояния, для построения магистральных телефонных линий
большой протяженности в тех случаях, когда нецелесообразна ор-
ганизация УКВ радиолиний, а также для связи с морскими судами
и самолетами.
При радиовещании на декаметровых волнах необходимо учиты-
вать возможность появления так называемой зоны молчания. Ми-
нимальный угол падения фОкр. при котором еще возможно отраже-
ние радиоволны от ионосферы, называется критическим. Если рас-
стояние между передающим и приемным пунктами мало, угол паде-
ния радиоволны на ионосферу может оказаться меньше <ркр и волна
уйдет в мировое пространство (см. рис. 1.11). На поверхности Зем-
ли образуется зона молчания, в пределах которой прием сигналов
на данной частоте невозможен. Зона молчания имеет вид кольца.
Внутренняя граница зоны определяется максимальным расстоянием,
28
Основы радиосвязи и телевидения
Зона
молчания
Зона
молчания
Рис. 1.11. Схема образования зоны молчания
на декаметровых волнах
на котором возможен прием поверхностной волны, а внешняя -
расстоянием, при котором угол <р0= ФокР- С ростом частоты при про-
чих равных условиях зона молчания увеличивается, так как поверх-
ностная волна при большой частоте распространяется на меньшее
расстояние, а угол q>0 кр растет, что приводит к увеличению радиуса
внешней границы зоны г2 (рис. 1.11). Если частота близка к критиче-
ской, зона молчания исчезает, так как если f = fKp, радиоволна отра-
жается от ионосферы при <р0= 0.
На декаметровых волнах электромагнитное поле в точке приема
практически всегда образуется за счет сложения множества лучей.
При угле падения на ионосферу, равном критическому, в точку
приема приходит луч, испытавший «зеркальное» отражение в ионо-
сфере, и множество лучей, рассеянных ионосферными неоднород-
ностями. Многолучевость приводит к интерференционным замира-
ниям, средний период которых на декаметровых волнах составляет
около 1 с. Эти замирания могут иметь селективный характер, что
приводит к искажениям принимаемого сигнала. Особенно заметные
искажения за счет селективных замираний происходят при ослаб-
лении уровня несущей частоты амплитудно-модулированного коле-
бания, так как при этом сильно искажается форма огибающей сиг-
нала. Эти искажения уменьшаются при использовании однополос-
ной модуляции с подавленной несущей.
На декаметровых волнах помимо интерференционных наблюда-
ются поляризационные замирания, вызываемые изменением типа
поляризации радиоволны при ее распространении в ионосфере.
Средний период замираний на декаметровых волнах составляет
секунды. Для борьбы с замираниями радиоприемные устройства
1. Принципы радиосвязи
29
снабжают автоматическими регуляторами усиления, которые изме-
няют усиление приемника при изменении уровня сигнала. Если уро-
вень уменьшается, усиление приемника увеличивается, когда уро-
вень сигнала растет, усиление уменьшается. При этом уровень сиг-
нала на выходе приемника поддерживается неизменным. Однако
при глубоких замираниях минимальный уровень сигнала на входе
приемника может оказаться недостаточным для обеспечения необ-
ходимого отношения сигнал-помеха. На профессиональных радио-
линиях для борьбы с замираниями дополнительно применяют раз-
несенный прием. При этом приемные антенны должны быть разне-
сены в пространстве на расстояние, примерно равное десяти дли-
нам волн. При таком разнесении замирания сигналов на выходах
антенн происходят взаимонезависимо. Кроме пространственного
разнесения иногда используют поляризационное, при котором при-
ем ведется одновременно на антенны, принимающие радиоволны
с вертикальной и горизонтальной поляризациями.
При передаче коротких радиоимпульсов многолучевость может
привести к появлению радиоэха. Эхо возникает, если запаздывание
распространения сигнала по более длинному пути по сравнению
с более коротким превышает длительность сигнала.
Частота, на которой работает радиолиния, называется рабочей.
Наибольшая частота, которая может отразиться от ионосферы на
данной трассе и в данное время, называется максимально приме-
нимой частотой (МПЧ) [1]. Эта частота должна соответствовать за-
кону секанса. Для определения МПЧ необходимо знать длину трас-
сы, высоту отражающего ионосферного слоя и зависимость его
электронной концентрации от высоты. Максимально применимые
частоты определяют по ионосферным прогнозам. Рабочая частота
не может быть больше МПЧ, тай как радиоволны, частота которых
больше МПЧ, от ионосферы не отражаются и уходят в мировое
пространство. Чем выше рабочая частота, тем меньше поглощается
энергия радиоволны в ионосфере. Это объясняется тем, что с рос-
том частоты уменьшается удельная проводимость ионизированного
газа. Поэтому желательно, чтобы рабочая частота была наиболее
близка к МПЧ. Наибольшая рабочая частота, обеспечивающая ус-
тойчивое отражение радиоволны от ионосферы на данной трассе
и в данное время, называется оптимальной рабочей частотой. Зная
мощность передатчика, минимально допустимый уровень сигнала
и условия распространения радиоволн на трассе, можно опреде-
лить наименьшие применимые частоты. Чем ближе выбрана рабо-
чая частота к оптимальной, тем больше напряженность поля в точке
приема.
30
Основы радиосвязи и телевидение/
1.2.6. Распространение гектометро вых, километровых
и мириаметровых волн
Для отражения гектометровых и более длинных волн от ионо*
сферы требуется меньшая электронная концентрация, чем для от-
ражения декаметровых волн. Гектометровые волны отражаются от
слоя Е. При этом днем они очень сильно поглощаются слоем D и
даже при больших мощностях передатчиков (сотни киловатт) днев-
ной уровень поля на этих волнах оказывается ниже уровня помех.
Прием ионосферной волны на гектометровых (средних) волнах
возможен только ночью. Земная волна в этом диапазоне распро-
страняется на большие расстояния, чем на коротких волнах, что
позволяет обеспечить радиовещание на расстояниях около 300...400
км при мощности радиопередатчика около 100 кВт и при использо-
вании передающих антенн высотой 100...200 м. Ночью помимо зем-
ной волны появляется ионосферная волна. Вследствие интерфе-
ренции этих волн возникают замирания. Период замираний состав-
ляет несколько минут. Сравнительно большой период замираний на
гектометровых волнах объясняется тем, что при большей длине
волны требуется более сильное изменение высоты отражения в
ионосфере для существенного изменения фазы ионосферной вол-
ны. Замирания могут иметь селективный характер. Для борьбы с
замираниями применяют специальные антифединговые передаю-
щие антенны (замирания иногда называют федингом). Антифедин-
говая антенна в отличие от элементарного вибратора имеет диа-
грамму направленности (ДН) в вертикальной плоскости, сильно
прижатую к Земле (рис. 1.12). Поэтому ионосферная волна прини-
мает значительный уровень только на больших расстояниях от пе-
редатчика за пределами зоны, обслуживаемой земной волной, за-
мирания в этой зоне устраняются. Ночью, когда исчезает слой D,
гектометровые волны могут быть приняты на больших расстояниях
от радиопередатчика за счет ионосферного распространения. При
этом многолучевость приводит к замираниям сигнала.
Рис. 1.12. Диаграммы направленности вертикального вибратора
(штриховая линия) и антифединговой антенны (сплошная линия)
1. Принципы радиосвязи
31
Особенностью распространения ионосферных волн в гектомет-
ровом диапазоне являются нелинейные эффекты, возникающие в
ионосфере. Нелинейность ионосферы проявляется в том, что ее
параметры - диэлектрическая проницаемость и удельная проводи-
мость - зависят от амплитуды распространяющейся в ионосфере
волны. Практически необходимо учитывать нелинейный эффект,
заключающийся в перекрестной модуляции радиоволн. Перекрест-
ная амплитудная модуляция возникает в том случае, когда две ам-
плитудно-модулированные волны различных станций отражаются
от одной области ионосферы. При этом более мощное поле изме-
няет поглощение в ионосфере в такт с амплитудной модуляцией:
при большей амплитуде поглощение возрастает, при меньшей -
падает. Это изменяет поглощение другой волны в ионосфере, что
приводит к ее дополнительной модуляции, от которой в приемном
устройстве избавиться невозможно. Возможность возникновения
перекрестной модуляции необходимо учитывать при размещении
радиостанций гектометровых волн и при выборе их мощности.
Гектометровые волны применяют для связи на небольшие рас-
стояния с помощью земной волны.
Километровые (длинные) и мириаметровые (сверхдлинные) вол-
ны отражаются от самой нижней границы ионосферы - днем от слоя
D и ночью от слоя Е, не проникая в ее глубину. Потери энергии этих
радиоволн в ионосфере незначительны. Земная волна в диапазоне
длинных и сверхдлинных волн также распространяется со сравни-
тельно небольшим поглощением. Благодаря этому километровые и
мириаметровые волны распространяются в сферическом волноводе,
образованном поверхностью Земли и нижней границей ионосферы.
Для этого волновода критической является длина волны около 100 км.
Более длинные волны в пространстве между Землей и ионосферой
распространяться не могут. Поскольку длинные и сверхдлинные вол-
ны отражаются от нижней границы ионосферы, их распространение
мало подвержено ионосферным возмущениям. Это позволяет ис-
пользовать волны этих диапазонов для аварийной связи в полярных
районах. Вследствие узости частотного диапазона на длинных и
сверхдлинных волнах удается передавать небольшие потоки инфор-
мации. Километровые и мириаметровые волны сравнительно глубоко
проникают в морскую воду. Поэтому их используют для связи с под-
водными лодками, находящимися в погруженном состоянии. Кило-
метровые и мириаметровые волны применяют для передачи сигна-
лов точных частот, времени и радионавигации. Для звукового веща-
ния применяют радиоволны длиной до 2 км, особенности распро-
странения которых мало отличаются от особенностей распростране-
ния гектометровых волн.
32
Основы радиосвязи и телевидения
1.3. Антенно-фидерные устройства
1.3.1. Параметры и характеристики антенн
Антенной называется устройство, предназначенное для излуче-
ния или приема радиоволн. Антенны обладают свойством обрати-
мости. Принципиально любая антенна может работать в качестве
как приемной, так и передающей. Например, в радиорелейной связи
одна антенна посредством фильтров подключается к нескольким
передатчикам и приемникам, работающим одновременно в одном
направлении, но на разных частотах. В зависимости от назначения
антенны подразделяются на приемные, передающие и приемопе-
редающие. На основании принципа взаимности доказывается, что
параметры антенны, работающей на прием, не отличаются от соот-
ветствующих параметров антенны, работающей на передачу.
Изотропной называется воображаемая антенна без потерь, из-
лучающая равномерно во все стороны.
Реальные антенны в окружающее пространство в различных на-
правлениях излучают неодинаково. Зависимость напряженности
поля, излучаемого антенной, измеренная на достаточно большом,
но одинаковом расстоянии от антенны, от угла наблюдения в про-
странстве ср называется характеристикой направленности. Графи-
ческое представление этой характеристики А((р) называют диаграм-
мой направленности (ДН).
Пространственная ДН является поверхностью объема и может
иметь несколько максимумов. В стационарных антеннах ДН часто
рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Диа-
граммы направленности изображают нормированными в полярной
(рис. 1.13, а) или прямоугольной (рис. 1.13, б) системе координат. Для
изображения нормированной ДН строят зависимость Ан(ф)=А(ф)/А(ф)тах
по модулю [1].
Часть ДН, которая находится внутри области, ограниченной двумя
соседними направлениями минимального излучения, называется ле-
пестком ДН антенны. Лепесток ДН, в пределах которого антенна имеет
максимальное излучение, называется главным. Лепесток, направление
которого по отношению к главному составляет угол, равный или близ-
кий к 180°, называется задним. Все лепестки, кроме главного и задне-
го, называются боковыми. Угол между двумя направлениями лепестка,
на границах которого напряженность поля падает до определенного
значения, называется шириной лепестка ДН антенны. На рис. 1.13 да-
ны определения ширины главного лепестка ДН по нулевому излуче-
нию 2ф0 и уровню 0,5 максимальной плотности потока мощности ф0.5,
что соответствует уровню 0,707 по напряженности поля.
1. Принципы радиосвязи
33
FM
Рис. 1.13. К определению ширины диаграммы направленности
в различных системах координат:
а - полярная система координат; б - прямоугольная система координат
Коэффициентом направленного действия (КНД) D в данном на-
правлении называют отношение квадрата напряженности поля,
создаваемого антенной в данном (обычно главном) направлении
Eq, к среднему значению квадрата напряженности поля по всем
направлениям ЕС2Р:
О=Е02/Еегр.
Численное значение КНД показывает, во сколько раз необходи-
мо уменьшить мощность излучения при замене ненаправленной
антенны направленной для сохранения прежней напряженности
поля в главном направлении. *
Находясь в поле электромагнитной волны, приемная антенна по-
глощает часть ее энергии и посредством фидера передает в прием-
ник, являющийся для антенны нагрузкой. Эффективной площадью
приемной антенны называют эквивалентную площадь, с которой
может быть отдана максимальная мощность радиоволны в согласо-
ванную нагрузку. Эффективная площадь антенны 5эф связана с
КНД и длиной волны соотношением:
5эф = DX2/47t.
Действующей длиной передающей антенны LD называют длину
излучения с равномерным распределением тока, который в главном
направлении создает такую же напряженность поля, как и реальная
3 - 6973
34
Основы радиосвязи и телевидения
антенна при одинаковых токах. Действующей длиной приемной ан-
тенны называют отношение ЭДС в антенне, наведенной радиовол-
ной, приходящей с направления главного лепестка ДН Эа, к напря-
женности поля в месте приема: LD = Е/Эа .
Подводимая к антенне мощность Ра частично излучается (Р^) и
частично бесконечно теряется (Рп) на нагрев проводников и изоля-
торов антенны, в Земле и других окружающих предметах. Мощность
потерь в антенне Рп = /2РП, где Рп - эквивалентное сопротивление
потерь, отнесенное к току /. Аналогично можно записать выражение
для мощности излучения Р^ - /2Е^.
Сопротивлением излучения антенны называют отношение
мощности излучения к квадрату эффективного значения тока в ан-
тенне:
«X = М'.г.
Излучаемая антенной мощность является полезной мощностью,
следовательно, и сопротивление излучения является полезным ак-
тивным сопротивлением антенны в отличие от сопротивления по-
терь, которое желательно по возможности иметь наименьшим.
Параметром, учитывающим направленные свойства и потери в
антенне, является коэффициент усиления. Коэффициентом усиления
антенны G называют отношение плотности потока мощности или
квадрата напряженности поля Е2, созданного антенной в данном
(обычно главном) направлении, к потоку или квадрату напряженности
поля Eq3, созданному эталонной антенной в главном направлении
при равенстве подводимых к антеннам мощностей: G = Eq/Eq3 .
Коэффициент усиления является одним из определяющих пара-
метров передающих антенн. Он показывает, во сколько раз нужно
уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по срав-
нению с эталонной, чтобы напряженности поля в главном направле-
нии были одинаковыми.
Волновое сопротивление антенны (вибратора) И/в определяют
отношением напряжения 1Упад к току /пад бегущей (падающей) вол-
ны и может быть выражено через ее параметры:
wt = 4Qp,
где L) и С, - соответственно индуктивность, Гн/м, и емкость, Ф/м,
антенны на 1 м длины.
1. Принципы радиосвязи
Входным сопротивлением антенны называют отношение напря-
жения к току на входе антенны. В общем случае это сопротивление
является комплексным Z =/?я+/Ха и зависит от относительной
d d d
длины //X антенны.
Коэффициентом полезного действия антенны ла называют от-
ношение излучаемой мощности Ру к подводимой РА:
1.3.2. Особенности работы симметричного вибратора
Симметричный вибратор в качестве излучателя входит в состав
многих антенн. В принципе симметричный вибратор можно предста- s
вить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой
развернуты на 180°. Каждый элемент данной линии обладает опре-
деленной индуктивностью и емкостью между проводами (рис. 1.14).
Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в сим-
метричном вибраторе [2]. Присоединим обе его половины к зажис
мам источника постоянной ЭДС (рис. 1.15, а). После того как рас-г
пределенные емкости проводов вибратора зарядятся и между его
половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник
питания и замкнем обе половины вибратора перемычкой (см. рис.
1.15, б). При этом распределенные емкости начнут разряжаться че-
рез перемычку. Очевидно, что через отрезки провода вибратора,
расположенные у середины, протекает наибольший электрический.
заряд, и поэтому разрядный ток имеет наибольшее значение; к кон-
цам же провода ток уменьшается до нуля.
Рис. 1.14. Симметричный вибратор и его эквивалентная схема
з*
36
Основы радиосвязи и телевидения
Ток в проводе нарастает постепенно, поскольку в распределен-
ных индуктивностях возникает ЭДС самоиндукции. Разность потен-
циалов между точками, равноудаленными от середины вибратора,
тем больше, чем больше эти точки удалены от середины, так как
тем большая часть распределенной индуктивности провода участ-
вует в его создании (см. рис. 1.15, б). Знак потенциала относительно
средней точки по обе стороны от нее различен, так как в одной по-
ловине вибратора ток течет к ней, а в другой - от нее.
По мере разрядки распределенной емкости ток в проводе нарас-
тает и достигает максимума, когда она полностью разрядится. При
этом вся энергия электрического поля, запасенная емкостью, пере-
ходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей
(см. рис. 1.15, в). Если вначале индуктивность проводов вибратора
препятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его
уменьшению. Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя
прежнее направление (см. рис. 1.15, г). За счет этого происходит
перезаряд распределенной емкости, и когда ток спадает до нуля,
емкости оказываются перезаряженными (см. рис. 1.15, <3). После
этого процесс протекает в обратном направлении (см. рис. 1.15, е-
и). Таким образом в вибраторе возникают свободные электрические
колебания. При этом в нем устанавливаются стоячие волны тока и
напряжения и вдоль его длины укладывается половина стоячей
волны тока и напряжения. Следовательно, длина волны Хо собст-
венных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его
длины, т.е. X = 21. Поэтому симметричный вибратор называют также
полуволновым диполем, чем подчеркивается, что он вдвое короче
длины волны собственных колебаний.
Если полуволновый вибратор расположить вертикально, его раз-
мер можно уменьшить вдвое благодаря проводящим свойствам
земли. При вертикальном расположении нижний конец антенны под-
ключается к одному из зажимов генератора электромагнитных коле-
баний (рис. 1.16, а), второй зажим генератора при этом заземляется.
1. Принципы радиосвязи
37
о)
Рис. 1.16. Конструкция четвертьволнового вибратора
Если предположить, что земля является идеальным проводником, то
в ней наводится ЭДС, которая действует как зеркальное изображение
основного вибратора (см. рис. 1.16, б). Такая антенна называется
вертикальной несимметричной антенной, ее высота приблизительно
равна Л/4. Все сказанное справедливо только в том случае, когда
земля представляет собой идеальный проводник. Когда же земля
обладает плохими проводящими свойствами, характер распределе-
ния тока в земной поверхности изменяется. Особенно большое зна-
чение имеет сопротивление земли вблизи основания антенны. Для
улучшения проводимости этого участка применяют металлизацию:
закапывают в землю металлические листы, провода; улучшают хими-
ческий состав почвы, пропитывая ее различными солями.
Опыт показывает, что нет надобности осуществлять полную ме-
таллизацию земли, достаточно хорошо работает система радиаль-
ных расходящихся проводов, закопанных в землю на глубину
20...50 см. Качество металлизации улучшается, если радиальные
провода соединяются между собой перемычками.
Часто заземление заменяют системой проводов, не зарытых,
а поднятых над землей, называемых противовесом. Последний
должен достаточно хорошо экранировать антенный провод от зем-
ли, играя роль хорошо проводящей поверхности. Он обычно дает
худшие результаты, но на передвижных радиостанциях является
единственным выходом из положения. Обычно в качестве противо-
веса используется корпус автомобиля, на котором расположена ра-
диостанция. Таким же образом поступают при необходимости уста-
новки радиостанции на каменистом грунте.
38 Основы радиосвязи и телевидения^
1.3.3. Антенны километровых и гектометровых волн
Километровые и гектометровые волны (длинные и средние) ис-
пользуются для радиосвязи, радиовещания, навигации и других целей.
На длинных и средних волнах земная поверхность имеет обычно
хорошую проводимость. У поверхности же хорошего проводника элек^
трическое поле может быть направлено только перпендикулярно его
поверхности. Поэтому как передающие, так и приемные антенны для
этих волн должны обладать развитой вертикальной частью. Для того
чтобы антенна была резонансной и имела достаточно большие сопро-
тивление излучения и коэффициент полезного действия (КПД), ее
размеры должны приближаться, по крайней мере, к 0,25Z, т.е. на длин-
ных волнах (ДВ) ее высота должна быть равна нескольким сотням
метров [2]. Практически удается построить антенны (мачты) высотой
не более 200...300 м. Поэтому на волнах длиннее 1000 м, как правило,
приходится работать с антеннами длиной меньше резонансной.
Вследствие этого входное сопротивление антенны имеет реактивную
составляющую емкостного характера, для компенсации которой по-
следовательно с антенной приходится включать катушку индуктивно-
сти (рис. 1.17, а). Эти катушки часто называют удлинительными (Ly).
Сопротивление излучения у антенн с малой электрической длиной
весьма мало. В то же время активное сопротивление удлинительных
катушек довольно значительно. Поэтому сопротивление потерь в цепи
антенны становится больше или того же порядка, что и сопротивление
излучения, и КПД антенны получается довольно низким.
На средних волнах (СВ) при работе антенны в широком диапазоне
частот может оказаться, что частота подводимых к ней колебаний
ниже резонансной. В этом случае реактивная составляющая ее вход-
ного сопротивления имеет индуктивный характер, и для настройки
антенны приходится применять конденсатор, который принято назы-
вать укорачивающим. В общем случае цепь настройки диапазонной
антенны должна содержать как емкость, так и индуктивность.
Применение элементов настройки не изменяет сопротивления
излучения антенны, которое определяется только ее электрической
длиной, и поэтому при работе с короткими антеннами сопротивле-
ние излучения всегда невелико. Поэтому для получения большой
мощности излучения в таких антеннах приходится возбуждать
большие токи. Малое сопротивление излучения приводит также к
тому, что резонансная характеристика антенны становится очень ост-
рой; вследствие этого антенна очень критична в настройке. Кроме того,
при низком сопротивлении излучения приходится особенно тщательно
выполнять заземление нижнего конца антенны, где проходит большой
ток, так как в противном случае резко снижается КПД системы.
1. Принципы радиосвязи
39
Для увеличения КПД вместо использования катушки индуктивно-
сти часто увеличивают длину антенны до резонансной и сгибают ее
на высоте мачты под прямым углом, образовав оставшейся частью
горизонтальный участок. Такая Г-образная антенна излучает лучше,
чем прямая антенна с удлинительной катушкой, но она требует уста-
новки второй мачты (рис. 1.17, б). Если высота подвеса Г-образной
антенны невелика, то горизонтальная часть ее практически не излу-
чает, так как она образует со своим зеркальным изображением двух-
проводную линию. Однако при этом распределение тока в излучаю-
щей вертикальной части существенно улучшается. В ней укладыва-
ется часть стоячей волны тока, близкая к пучности, к тому же пуч-
ность располагается ближе к верхнему концу, который находится
в наиболее благоприятных для излучения условиях (рис. 1.17, в, г).
Рис. 1.17. Устройство антенны длинных и средних волн:
а - заземленный вибратор с удлинительной катушкой; б - Г-образная
антенна; в - распределение тока в антенне с катушкой; г - распреде-
ление тока в Г-образной антенне; д - Т-образная антенна; е - зонтич-
ная антенна
40
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 1.18. Конструкция антенны-
башни:
1 - опорный изолятор;
2 - емкостная шапка
Рис. 1.19. Устройство антенны-
мачты:
1 - опорный изолятор; 2 - световое
ограждение мачты; 3 ~ изоляторы
Увеличить амплитуду тока на конце антенны можно также, соз-
дав дополнительную горизонтальную часть в виде двух горизон-
тальных лучей (Т-образная антенна на рис. 1.17, д) или в виде мно-
гих лучей (зонтичная антенна на рис. 1.17, е). Во всех случаях гори-
зонтальные элементы образуют с землей некоторую емкость. Бла-
годаря этому амплитуда тока на конце вертикальной части антенны
уже не равна нулю, и распределение тока вдоль нее становится бо-
лее равномерным. Площадь тока, а следовательно, и действующая
высота антенны увеличиваются.
Конструктивно антенны ДВ и СВ очень часто выполняются в виде
установленных на изоляторы стальных свободно стоящих антенн-
башен (рис. 1.18) и антенн-мачт (рис. 1.19). Ток от передатчика под-
водится к нижнему концу башни или мачты, которая является непо-
средственным излучателем энергии. Для радиовещания применя-
ются антенны высотой 75...300 м. Для увеличения емкости антенны
на вершине башни или мачты устанавливается емкостная шапка из
металлических трубок [2].
Недостатком передающих антенн-мачт и антенн-башен, имею-
щих высоту до 300 м и более, является их высокая стоимость. Кро-
ме того, во многих случаях применение высоких антенн недопусти-
мо вследствие близости радиоцентров к аэропортам. Во всяком
случае все антенны этого типа оборудуются системой светового
ограждения мачт.
На СВ на расстояниях 100...300 км поля поверхностной и про-
странственной волн могут оказаться соизмеримыми по амплитуде и
1. Принципы радиосвязи
41
случайными по фазе. Здесь наблюдаются замирания (фединги) се-
лективного характера. В рабочей полосе отдельные частоты зами-
рают по-разному, вызывая искажения передаваемого сигнала. Что-
бы отодвинуть дальше от передающей станции зону, подверженную
замираниям, необходимо на передаче применять антенны со спе-
циальной формой диаграммы направленности в вертикальной
плоскости. Эти антенны должны иметь максимум излучения, на-
правленного вдоль поверхности Земли, и малое излучение под уг-
лом более 55°. Антенны с подобной диаграммой направленности
называются антифединговыми. Такими, например, являются не-
симметричные вертикальные вибраторы высотой (0,53...0,6)Х.
В отличие от передающих, приемные антенны, как правило, не
настраиваются на частоту принимаемых радиостанций. Для веща-
тельного приема часто используются вертикальные Г-, Т-образные
и зонтичные антенны.
1.3.4. Антенны декаметровых волн
Чем короче волна, тем больше разнообразие используемых ти-
пов антенн. Для коротких волн (КВ) проводимость почвы ухудшает-
ся, и вследствие этого возрастают потери в заземлении. Поэтому на
этих волнах обычно избегают использования заземленных вибрато-
ров. Только около больших водных поверхностей или при располо-
жении радиостанции на сырых почвах заземленные вибраторы да-
ют хорошие результаты.
В диапазоне декаметровых (коротких) волн (10... 100 м) отношение
длины антенны к длине волны может быть получено достаточно
большим. Поэтому обеспечение большого сопротивления излучения
и высокого КПД не вызывает затруднений. Более актуальным при
построении коротковолновых антенн является вопрос о диаграмме
направленности, к которой предъявляются следующие требования:
1. Она должна быть по возможности неизменной во всем диапа-
зоне волн, в котором поддерживается связь в течение длительного
времени. Это требование вызвано тем, что по условиям распро-
странения приходится производить смену волн даже в течение од-
них суток связи. Антенны, имеющие неизменные диаграммы на-
правленности в широком диапазоне частот, называются диапазон-
ными, в отличие от настроенных.
2. Направление максимального излучения и приема должно быть
таким, чтобы число отраженных волн от ионосферы и Земли было
минимальным, так как каждый скачок волны сопровождается поте-
рями энергии. Поэтому угол возвышения луча следует уменьшать
по мере удлинения линии связи. Например, для линий протяженно-
42
Основы радиосвязи и телевидения
стью 600 км рекомендуется выбирать угол 30...45°, а для линий
длиной 3000 км - 10...25°.
3. В связи с неустойчивостью состояния ионосферы направлен-
ное действие антенны не должно быть чрезмерно большим во из-
бежание того, что излучаемая волна окажется вне сферы действия
приемной антенны. Поэтому ширину угла диаграммы направленно-
сти коротковолновой антенны в вертикальной и горизонтальной
плоскостях рекомендуется устанавливать равной 10...30°.
4. Для ослабления влияния промышленных помех на радиопри-
ем максимум диаграммы направленности приемной антенны не
должен быть слишком близок к земной поверхности. С этой точки
зрения в коротковолновых антеннах предпочтительнее применять
горизонтальные вибраторы, а не вертикальные. Однако симметрич-
ный горизонтальный вибратор не рассчитан на работу в широком
диапазоне частот, так как его входное сопротивление сильно зави-
сит от частоты, что приводит к нарушению согласования с питаю-
щим фидером.
Входное сопротивление вибратора будет изменяться в меньших
пределах, если уменьшить его волновое сопротивление. Это может
быть достигнуто за счет увеличения диаметра излучающих прово-
дов. В диполе С.И. Надененко (антенны типа вибратор горизонталь-
ный диапазонный (ВГД)) плечи вибратора образованы системой из
6-12 проводов, расположенных по образующей цилиндра диаметром
1...3 м (рис. 1.20).
С изменением частоты входное сопротивление такого вибратора
изменяется в небольших пределах и согласование с фидером обес-
печивается в более широком диапазоне частот. Рабочий диапазон
волн диполя С.И. Надененко составляет (1,7...3,3)/. Эта антенна
находит применение на передающих и приемных станциях, если
требуется слабонаправленная диапазонная антенна.
Симметричные вибраторы широко используются как элемент бо-
лее сложных антенн, состоящих из нескольких вибраторов. Такие
многовибраторные антенны обеспечивают остронаправленные из-
лучения и прием.
Рис. 1.20. Конструкция диполя С.И. Надененко
р 1. Принципы радиосвязи
Рис. 1.21. Синфазная горизонтальная антенна
Антенная система состоит из горизонтальных полуволновых вибра-
торов, расположенных рядами в несколько этажей. Расстояние между
этажами Х/2 , а между вибраторами X. Если токи во всех вибраторах
возбуждаются в фазе, такую антенну называют синфазной.
На рис. 1.21 изображена синфазная горизонтальная антенна
[2]. Рассмотрим, чем будет определяться диаграмма направленно-
сти такой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Предположим, что такая антенна используется как приемная.
Диаграмма направленности каждого вибратора в вертикальной
плоскости представляет собой окружность. На рис. 1.22 показаны
горизонтальные полуволновые вибраторы, расположенные в два
этажа (плоскость чертежа совпадает с вертикальной плоскостью) на
расстоянии / = Л/2.
При достаточном удалении источника принимаемых волн линии
р и г2, соединяющие вибраторы с этим источником, можно считать
параллельными. Поэтому токи от вибраторов будут складываться в
общей линии, присоединенной к ним. Если угол прихода (р = 90°, то
и г2 равны и токи складываются с одинаковой фазой. При (р * 90°
появляется разность расстояний и г2, представленная на рис.
1.22, а отрезком d. Если же d = Л/2, то токи в вибраторах окажутся
в противоположных фазах, суммарный ток будет равен нулю и прие-
ма сигналов с этого направления не будет.
Таким образом, система из двух горизонтальных вибраторов,
расположенных на разных высотах (этажах) относительно Земли,
даст диаграмму направленности в вертикальной плоскости, изобра-
женную на рис. 1.22, б сплошной линией. Чем больше этажей, тем
£же диаграмма направленности.
44
Основы радиосвязи и телевидения
270°
90°
180°
Рис. 1.22. К пояснению влияния числа вибраторов на диаграмму
направленности синфазной горизонтальной антенны в
вертикальной плоскости:
а - расположение горизонтальных полуволновых вибраторов;
б - диаграмма направленности в вертикальной плоскости
Для магистральной связи в качестве приемных и передающих ан-
тенн применяются антенны с узкими диаграммами направленности в
обоих плоскостях, содержащие 32 и более вибраторов. Коэффициент
усиления этих антенн более 160. С изменением длины волны расстоя-
ние между этажами будет отличаться от значения 0,5Х. В результате
вибраторы разных этажей будут питаться токами разных амплитуд и
фаз. Все это искажает диаграмму направленности. Поэтому такие ан-
тенны могут применяться в узком диапазоне волн (Xmax/Xmin == 1,35 для
двухэтажной; Xroax/Xmin = 1,15 для четырехэтажной).
Для того чтобы получить остронаправленную диапазонную ан-
тенну, необходимо обеспечить без перестройки элементов антенно-
фидерной системы постоянство направления максимального излу-
чения, а по возможности и всю диаграмму направленности при из-
менении длины волны. Это может быть успешно решено, если во
всей антенной системе создать режим бегущих волн. К такому типу
антенн относится ромбическая антенна, изображенная на рис. 1.23.
Она состоит из четырех горизонтальных проводов 1-4, образующих
стороны ромба. Генератор подключается к проводам 1 и 3 с помо-
щью фидера, волновое сопротивление которого равно волновому
сопротивлению антенны. Концы проводов 2 и 4 замкнуты на актив-
ное сопротивление, также равное волновому. Таким образом, во
всей антенной системе создается режим бегущих волн.
1. Принципы радиосвязи
45
Рис. 1.23. Устройство ромбической антенны
Каждый провод антенны создает излучение, максимум которого
направлен под углом фтах к проводу. Если острый угол ромба ра-
вен 2фтах, то основные лепестки (ап а2, а3, а4) диаграммы направ-
ленности всех четырех проводов совпадают по форме и направле-
нию. При этом максимум излучения совпадает с направлением
большой диагонали ромба.
При достаточно большой длине провода (/ > 4Х) изменение длины
волны существенно не изменяет угол фтах, следовательно, направ-
ление максимального излучения ромбической антенны сохраняется
постоянным в широком диапазоне волн. Рабочий диапазон волн ром-
бической антенны составляет (0,8...2,5)Х. Для перекрытия всего диа-
пазона коротких волн достаточно иметь две ромбические антенны.
Недостатком ромбической антенны является сравнительно низ-
кий КПД, обусловленный тем, что часть энергии, поступающей от
передатчика, поглощается в сопротивлении нагрузки и не расходу-
ется на излучение, а диаграмма направленности характеризуется
довольно большими боковыми лепестками (b,-b4 на рис. 1.23).
Последний недостаток в значительной степени устраняется в двой-
ной ромбической антенне (РГД). Антенна состоит из двух полотен
ромбических антенн, смещенных по горизонтали в направлении ма-
46
Основы радиосвязи и телевидения
лой диагонали и соединенных параллельно в вершинах острых уг-
лов. Высота подвеса ромбов отличается на 2...3 м, что исключает
возможность замыкания между проводами антенны. Это позволяет
уменьшить интенсивность боковых лепестков и значительно увели-
чить коэффициент усиления антенны.
Для получения диаграммы направленности с одним главным на-
правлением излучения или приема рассмотрим систему, состоящую
их двух вибраторов 1 и 2, удаленных друг от друга на расстояние
d- 0,25Х, токи в которых равны по амплитуде, а фазы сдвинуты от-
носительно друг друга на 90° (рис. 1.24, а) так, что ток вибратора 2
опережает ток вибратора 1. Следовательно, в любой момент около
вибратора 2 формируется поле Е2, опережающее по фазе на 90° по-
ле Е1, излученное вибратором 1. За время прохождения полем Е2
расстояния d = 0,25Х от вибратора 2 до вибратора 1 произойдет от-
ставание по фазе на угол 90°. Имевшееся опережение по фазе ока-
жется скомпенсированным, и около вибратора 1 поля Е1 и Е2 обоих
излучателей будут иметь одинаковые фазы. Таким образом, в на-
правлении вибратора 1 будет распространяться волна с удвоенной
напряженностью поля (левая векторная диаграмма на рис. 1.24, а).
При распространении в направлении вибратора 2 поле Е1 виб-
ратора 1, пройдя путь d = 0,25Х до вибратора 2, получит отставание
по фазе на угол 90° и окажется в противофазе с полем Е2 вибрато-
ра 2 (ф1 = -90°, (р2 - +90°). Здесь поля взаимно компенсируются,
и излучения в этом направлении не будет (правая векторная диа-
грамма на рис. 1.24, а). В рассмотренной системе вибратор 2 явля-
ется отражателем и называется рефлектором или зеркалом. Реф-
лектор, который питается непосредственно от генератора, называ-
ется активным рефлектором.
Для упрощения конструкции антенн вибратор 2 часто выполняет-
ся пассивным. К нему не подводят питания. Пассивный вибратор
возбуждается в этом случае полем активного вибратора. Рассмот-
рим, например, систему, состоящую из активного вибратора 1 и
пассивного вибратора 2 (см. рис. 1.24, б). Предположим, что в виб-
раторе 1 генератором возбуждается ток /1. В вибраторе, как и в ра-
зомкнутой на конце линии с малыми потерями, устанавливается
режим стоячей волны, при котором напряжение СИ отстает от тока
/1 на угол, близкий к 90° (векторная диаграмма на рис. 1.24, б). На-
пряжение СИ создает около вибратора 1 поле Е1 , совпадающее с
ним по фазе. При распространении поля Е1 до пассивного вибрато-
ра 2 произойдет запаздывание фазы поля на угол 90° и поле у виб-
ратора 2 - Е12 будет отставать по фазе от тока /1 на 180°. Поле
Е12 в вибраторе 2 наведет ЭДС е2, совпадающую по фазе с Е12.
1. Принципы радиосвязи
47
0,257
Направление
излучения
Ф=0° ф=90°
л £2 |£2
11 £1 ’f£l
II
£1
Направление
излучения
|11
*2 иг Е1
Т £12
б)
0;25Х
1 £12
12
о)
Ul Е1
в)
Направление
излучения
о" -----
V
Л
Рис. 1.24. Устройство антенн, состоящих из двух вибраторов:
а - вибратор с активным рефлектором; б - вибратор с пассивным
рефлектором; в - вибратор с пассивным директором
Пассивный вибратор 2 должен иметь плечо / > 0,25Х, т.е. общую
длину, несколько большую 0,57. Реактивное сопротивление такого
вибратора имеет индуктивный характер, и ток 12, обусловленный
ЭДС е2, будет отставать от нее на угол, близкий к 90°. В результате
ток 12 пассивного вибратора 2 оказывается отстающим от тока /1
активного вибратора 1 на угол, близкий к 270°, что эквивалентно
опережению на 90°. Пассивный вибратор с длиной 2/2 > 0,5Х в рас-
сматриваемой системе ведет себя как пассивный рефлектор.
Если пассивный вибратор взять короче 0,57 (см. рис. 1.24, в), то
его реактивное сопротивление будет иметь емкостный характер. Те-
перь ток 12 будет опережать ток /1 на угол, близкий к 90°. Максимум
излучения будет направлен в сторону пассивного вибратора 2. За
активным вибратором поле будет ослаблено. Такой пассивный виб-
ратор называется директором.
Отметим, что антенны, использующие вышеописанный принцип
работы, широко применяются и в диапазоне МВ. Наибольшее при-
менение они нашли в качестве приемных телевизионных антенн
метрового и дециметрового диапазонов.
1.3.5. Конструкции антенн метровых, дециметровых
и сантиметровых волн
В диапазоне УКВ используются преимущественно антенны, об-
ладающие направленными свойствами хотя бы в одной плоскости.
48
Основы радиосвязи и телевидения
0,5Х
Рис. 1.25. Дипольный (а) и петлевой (6) вибраторы и их диаграмма
направленности (в)
При малой длине волны такие антенны получаются достаточно
компактными, что дает возможность, не встречая больших техниче-
ских трудностей, делать их вращающимися. Благодаря этому име-
ется возможность, получая большой выигрыш в мощности и умень-
шая взаимные помехи радиостанций, осуществлять связь по любым
желаемым направлениям.
Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы:
вибраторные и поверхностные. В диапазоне метровых волн наибо-
лее часто используются различные симметричные и несимметрич-
ные вибраторы.
Рассмотрим в качестве примера некоторые типы телевизионных
антенн [2].
Самой простой телевизионной приемной антенной является ди-
польный вибратор (линейный полуволновой вибратор) (рис. 1.25, а),
а наиболее удобным в конструктивном отношении - петлевой виб-
ратор Пистолькорса (см. рис. 1.25, б).
Этот петлевой вибратор можно рассматривать как два полувол-
новых синфазных вибратора, расположенных на малом расстоянии
друг от друга. В точке с вибратора располагаются пучность тока и
узел напряжения, что соответствует режиму короткого замыкания.
В точках b и d, отстоящих от с на 0,25Х, образуются узел тока
и пучность напряжения. На зажимах антенны а и е возникает пуч-
ность тока. Наличие узла напряжения в точке с позволяет крепить
вибратор в этой точке к стреле или мачте непосредственно без
изоляторов.
Описанные антенны обычно могут обеспечить качественный
прием телевизионных передач на сравнительно небольших рас-
стояниях от телецентра, так как они являются слабонаправленными
(см. рис. 1.25, в). Для приема на больших расстояниях или при не-
удовлетворительных условиях приема на малых расстояниях при-
меняются более сложные антенны, имеющие лучшую направлен-
ность.
1. Принципы радиосвязи
49
Рис. 1.26. Антенна типа «волновой канал» (а) и ее диаграмма
направленности (б)
В диапазоне МВ в качестве направленных антенн большое рас-
пространение получили антенны типа «волновой канал». Антенна
«волновой канал» (рис. 1.26) состоит из активного вибратора А,
рефлектора Р и нескольких директоров Д1, Д2, ДЗ. Из приведенной
на рис. 1.26, б диаграммы направленности видно, что коэффициент
усиления этой антенны довольно высок и она не будет реагировать
на помехи с других направлений. Принцип действия рефлектора
и директора рассмотрен выше.
Антенна типа «волновой канал» может работать и как передаю-
щая антенна. Активный вибратор А в этом случае излучает электро-
магнитное поле как в направлении рефлектора, так и в направлении
директоров. Под воздействием этого поля в рефлекторе наводится
ток, который создает вторичное поле - поле излучения рефлектора.
Если длину рефлектора выбрать равной (0,51...0,53)Х, а расстояние
между рефлектором и активным вибратором (0,15...0,25)Z, то вто-
ричное поле, созданное рефлектором, будет опережать по фазе поле
активного вибратора на угол около 90°. Результирующее поле за
рефлектором будет равно разности напряженностей полей, создан-
ных активным вибратором и рефлектором. В главном направлении -
направлении директоров и далее - поля от активного вибратора и
рефлектора будут складываться в одной фазе и результирующее
поле увеличится. В реальной антенне опережение фазы тока в реф-
лекторе несколько отличается от 90°, а амплитуда тока в рефлекторе
несколько меньше, чем в активном вибраторе. Поэтому некоторая
часть энергии излучается антенной за рефлектор.
Директоры антенны возбуждаются результирующим полем ак-
тивного вибратора и рефлектора. Для того чтобы вторичное поле
директоров повышало напряженность поля в главном направлении,
4 - 6973
50
Основы радиосвязи и телевидения
наведенные в них токи должны отставать по фазе от тока активного
вибратора. Это достигается соответствующим выбором длин дирек-
торов и их взаимным расположением. Длины директоров выбирают
равными (0,41 ...0,45)Х. Расстояние между директорами и первым
директором и активным вибратором выбирают (0,1...0,34)Х.
С уменьшением расстояний между активными и пассивными вибра-
торами ток в пассивных вибраторах увеличивается, но при этом за
счет влияния последних сильно уменьшается входное сопротивле-
ние активного вибратора. Для облегчения согласования антенны
с фидером активный вибратор часто выполняют петлевым.
Специфические требования предъявляются к передающим ан-
теннам МВ для звукового и телевизионного радиовещания, так как
они располагаются на большой высоте и несут большую механиче-
скую нагрузку от ветра; кроме того, увеличивается вероятность уда-
ра в них молнии. Поэтому при конструировании антенн избегают
применения керамических изоляторов, а по мере возможности ис-
пользуют жесткие механические конструкции.
Телевизионные передающие антенны должны обеспечивать
возможно большую зону обслуживания. Так как в большинстве слу-
чаев телецентр располагается вблизи середины зоны обслуживания,
диаграмма направленности передающей антенны в горизонтальной
плоскости должна быть круговой. Для уменьшения бесполезного
излучения сигнала в верхнее полупространство в вертикальной плос-
кости желательна концентрация излучения в направлении горизонта.
Кроме того, передающая антенна должна обеспечивать широкую
полосу пропускания (около 8 МГц).
На первых телевизионных станциях в нашей стране применя-
лись антенны Б.В. Брауде, представляющие собой вибратор пло-
ской конструкции, в котором излучающие пластины для уменьшения
ветровой нагрузки заменены проводниками (рис. 1.27, а).
Если вертикальный размер антенны выбрать 0.25Х, то эту антенну
можно рассматривать как обычный симметричный вибратор, совме-
щенный с короткозамкнутым шунтом (рис. 1.27, б). В нем, так же как и
в рассмотренном на рис. 1.25 петлевом вибраторе, точки а-а имеют
нулевой потенциал, и антенну в этих точках можно непосредственно
крепить к мачте без изоляторов. Это упрощает грозозащиту. Изоля-
торы необходимо устанавливать лишь в точках питания вибратора.
Недостатком вибратора Брауде является то, что горизонтальные
проводники в нем возбуждаются токами разных амплитуд. Объясня-
ется это тем, что по мере продвижения по шунту напряжение от мак-
симального значения в точках подключения питания падает до нуля
в точках короткого замыкания. Токи в проводниках можно выровнять,
выполнив плечи вибратора в виде трапеции (рис. 1.27, в).
v 1. Принципы радиосвязи
51
Рис. 1.27. Устройства передающей телевизионной антенны
Большое распространение получили Ж-образные вибраторы,
совмещающие в себе два плоских трапецеидальных вибратора
(рис. 1.27, г). Питание подводится к середине вибратора, в том мес-
те, где расположены короткие горизонтальные проводники. Для по-
лучения ненаправленного излучения в горизонтальной плоскости
две Ж-образные антенны располагаются под углом 90° друг к другу
и питаются со сдвигом фаз в 90°, образуя так называемую турни-
кетную антенну. Для концентрации излучения в вертикальной плос-
кости несколько турникетных антенн располагаются этажами одна
под другой и возбуждаются в одинаковых фазах. Сдвиг по фазе во
взаимно перпендикулярных вибраторах осуществляется за счет
увеличения длины одного из фидеров на 0,25%. Одинаковые фазы
во всех этажах получаются автоматически, так как расстояние между
этажами равно %.
В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко при-
меняется антенна в виде рупора. Простейшей рупорной антенной
является открытый конец металлической трубы прямоугольного или
круглого сечения, так называемого волновода. Излучающая часть
антенны называется раскрывом антенны. Отверстие волновода
можно рассматривать как многовибраторную антенну, образован-
ную из большого числа элементарных излучателей. Но такая антен-
на имеет ряд недостатков. Резкое изменение условий распростра-
нения на открытом конце волновода приводит к значительному от-
4*
52
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 1.28. Конструкция рупорной антенны
ражению. Кроме того, в раскрыве име-
ет место огибание излученными вол-
нами краев конца волновода, что
Рис. 1.29. Зеркальная
параболическая антенна
увеличивается с ростом
ухудшает направленные свойства ан-
тенны. Для уменьшения отражений и
улучшения направленных свойств ко-
нец волновода выполняют в виде ру-
пора (рис. 1.28).
Направленность рупорной антенны
площади раскрыва рупора. В качестве самостоятельных антенн ру-
поры применяются редко, но часто входят в конструкцию многих
более сложных антенн. Одной из них является зеркальная парабо-
лическая рефлекторная антенна (рис. 1.29). В ней роль отражателя
выполняет металлическое зеркало, имеющее форму параболоида
вращения или параболического цилиндра. При этом антенна излу-
чает почти параллельный пучок лучей. Коэффициент направленно-
го действия таких антенн очень высок и достигает 104.
Рис. 1.30. Рупорно-параболическая
антенна
Рис. 1.31. Перископическая
антенна
1. Принципы радиосвязи
53
Недостаток рассмотренной антенны состоит в том, что часть
энергии, отраженной от зеркала, попадает обратно через рупор в
волновод. Это снижает эффективность передачи энергии и приво-
дит к искажениям передаваемого сигнала. От этого недостатка
свободна рупорно-параболическая антенна (рис. 1.30).
Из волновода 1 высокочастотная энергия поступает в пирами-
дальный рупор 2, являющийся облучателем сегмента параболоида
вращения 3. Излученные антенной волны получаются плоскими, так
как фазовый центр рупора, расположенный в его вершине, находит-
ся в фокусе параболоида. Для хорошего согласования рупора с
волноводом угол раскрыва а выбирается равным 30...40°, а длина
рупора / = 50Х. Коэффициент усиления антенны растет с возраста-
нием площади раскрыва антенны S. При площади раскрыва 6...8 м2
коэффициент усиления равен 104. В этом случае ширина диаграм-
мы направленности равна примерно 2° как в горизонтальной, так и в
вертикальной плоскостях.
Разновидностью зеркальных антенн являются перископические
антенны (рис. 1.31), позволяющие при помощи зеркал передавать
высокочастотную энергию на вершину башни без линии или волно-
вода. Поступающая от передатчика энергия излучается рупорной
антенной в сторону эллипсоидального зеркала 3, расположенного у
подножия мачты под углом 45° к горизонту. Зеркало отражает па-
дающие на него волны перпендикулярно вверх на плоское зеркало,
установленное на вершине мачты также под углом 45°. Вторым зер-
калом волны отражаются в нужном направлении. Коэффициент по-
лезного действия передачи энергии в перископической антенне -
порядка 50%, что выше, чем если бы энергия подавалась наверх по
волноводу. «
Контрольные вопросы
1.1. Дайте определение понятиям радиолиния и радиосеть.
1.2. Поясните принципы организации симплексной и дуплексной радио-
связи.
1.3. Опишите принципы излучения радиоволн диполем Герца.
1.4. Как влияют Земля и ионосфера на распространение радиоволн?
1.5. При каких условиях радиоволны отражаются от ионосферы?
1.6. Какие преимущества имеют волны сантиметрового, дециметрового и
метрового диапазонов?
1.7. Как изменяется при изменении высот подвеса антенн напряженность
поля УКВ при связи в пределах прямой видимости?
1.8. Какая рефракция называется положительной?
1.9. Почему наблюдаются замирания сигнала при связи за счет тропосфер-
ного рассеяния?
54
Основы радиосвязи и телевидения
1.10. Какие особенности имеет радиосвязь с использованием отражения
радиоволн от метеорных слоев?
1.11. Почему на декаметровых волнах возникает зона молчания?
1.12. Какие причины вызывают интерференционные замирания на дека*
метровых волнах?
1.13. Что такое радиоэхо и почему оно возникает?
1.14. Из каких соображений следует выбирать рабочую частоту на коротко-
волновых линиях связи?
1.15. Для чего применяют антифединговые антенны?
1.16. Какие параметры характеризуют работу антенны?
1.17. Дайте определение сопротивлению излучения антенны.
1.18. Чем определяется действующая длина приемной и передающей ан-
тенн?
1.19. Дайте определение эффективной площади антенн.
1.20. В чем сущность принципа обратимости антенн?
1.21. Поясните особенности работы симметричного вибратора.
1.22. Каковы конструктивные особенности антенн километровых и гекто-
метровых волн?
1.23. Какие требования предъявляются к антеннам декаметровых волн?
1.24. Каким образом формируется диаграмма направленности антенн де-
каметровых волн?
1.25. Каким образом работает антенна типа «волновой канал»?
1.26. Опишите принцип работы антенн ультракоротких волн.
2. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
2.1. Основные функциональные узлы радиопередатчика
Схема и конструкция радиопередатчика зависят от различных
факторов: назначения, диапазона рабочих частот, мощности и т.д.
Тем не менее можно выделить некоторые типовые блоки, которые
однако имеются в большинстве передатчиков.
Структура передатчика (рис. 2.1) определяется его основными
общими функциональными возможностями, к которым относятся:
- получение высокочастотных колебаний требуемой частоты и
мощности;
- модуляция высокочастотных колебаний передаваемым сигналом;
- фильтрация гармоник и прочих колебаний, частоты которых вы-
ходят за пределы необходимой полосы излучения и могут создать
помехи другим радиостанциям;
- излучение колебаний через антенну.
Остановимся более подробно на требованиях к отдельным функ-
циональным узлам радиопередатчика.
Генератор высокой частоты, часто называемый задающим или
опорным генератором, служит для получения высокочастотных ко-
лебаний, частота которых соответствует высоким требованиям к
точности и стабильности частоты радиопередатчиков.
Рис. 2.1. Функциональная схема радиопередатчика
56
Основы радиосвязи и телевидения
Синтезатор преобразует частоту колебаний опорного генерато-
ра, которая обычно постоянна, в любую другую частоту, которая
в данное время необходима для радиосвязи или вещания. Ста-
бильность частоты при этом преобразовании не должна существен-
но ухудшаться. В отдельных случаях синтезатор частоты не нужен,
например, если генератор непосредственно создает колебания
нужной частоты. Однако с синтезатором легче обеспечить требуе-
мую высокую точность и стабильность частоты, так как он, во-
первых, работает на более низкой частоте, на которой легче
обеспечить требуемую стабильность; во-вторых, он работает на
фиксированной частоте. Кроме того, современные синтезаторы
приспособлены для дистанционного или автоматического управле-
ния синтезируемой частотой, что облегчает общую автоматизацию
передатчика.
Промежуточный усилитель высокой частоты, следующий за
синтезатором, необходим по следующим причинам:
- благодаря промежуточному усилителю с достаточно большим
коэффициентом усиления от опорного генератора и синтезатора не
требуется значительной мощности;
- применение промежуточного усилителя между синтезатором и
мощным усилителем ослабляет влияние на генератор и синтезатор
возможных регулировок в мощных каскадах передатчика и в антенне.
Усилитель мощности (его называют генератором с внешним
возбуждением) увеличивает мощность радиосигнала до уровня, оп-
ределяемого требованиями системы радиосвязи. Главным требова-
нием к усилителю мощности является обеспечение им высоких эко-
номических показателей, в частности КПД.
Выходная цепь служит для передачи усиленных колебаний в ан-
тенну, для фильтрации высокочастотных колебаний и для согласо-
вания выхода мощного оконечного усилителя с антенной, т.е. для
обеспечения условий максимальной передачи мощности.
Модулятор служит для модуляции несущих высокочастотных
колебаний передатчика передаваемым сигналом. Для этого моду-
лятор воздействует в зависимости от особенностей передатчика и
вида модуляции (амплитудная, частотная, однополосная и др.) на
один или несколько блоков из числа обведенных пунктиром на рис.
2.1. Например, частотная модуляция может получаться в синтеза-
торе частоты либо (реже) в генераторе; амплитудная модуляция
получается воздействием на мощный и промежуточный усилители.
Устройство электропитания обеспечивает подведение ко
всем блокам токов и напряжений, необходимых для нормальной
работы входящих в их состав транзисторов, ламп и прочих элек-
тронных элементов, а также систем автоматического управления,
2. Радиопередающие устройства
57
устройств защиты от аварийных режимов и прочих вспомогатель-
ных цепей и устройств. Система электропитания содержит выпря-
мители, электромашинные генераторы с двигателями внутреннего
сгорания, аккумуляторы, инверторы (преобразователи) низкого по-
стоянного напряжения в более высокое или обратно, трансформа-
торы, коммутационную аппаратуру, резервные источники питания и
устройства для автоматического перехода с основного источника на
резервный в случае неисправностей и т.п.
На рис. 2.1 не показаны многочисленные объекты вспомогатель-
ного оборудования, входящие в состав передатчика (особенно мощ-
ного), например, средства автоматического и дистанционного управ-
ления; контрольно-измерительные приборы, устройства дистанцион-
ного контроля и сигнализации; устройства защиты и блокировки; вы-
ключающие цепи высокого напряжения при аварийных режимах или
опасности для обслуживающего персонала и др.
Радиопередатчики диапазонов километровых, гектометровых и
декаметровых волн обычно размещаются группами на специальных
предприятиях - передающих радиостанциях. При большом числе
передатчиков радиостанции называются радиоцентрами. Радио-
вещательные передатчики метровых и дециметровых волн, как пра-
вило, размещаются вместе с передатчиками телевизионного веща-
ния. Предприятия связи, на которых установлены эти передатчики,
называются радиотелевизионными передающими станциями (цен-
трами).
2.2. Технические показатели радиопередатчика
К основным показателям радиопередатчика относятся: диапазон
волн, мощность, коэффициент полезного действия, вид и качество
передаваемых сигналов.
В соответствии с классификацией радиоволн (см. табл. 1.1)
различают передатчики километровых, гектометровых, декаметро-
вых и других волн. С этим различием связаны соответствующие
особенности конструкций, так как в разных диапазонах различны
конструкции колебательных контуров и типов усилительных эле-
ментов. Передатчик может работать на одной или нескольких выде-
ленных для него фиксированных волнах, либо он может настраи-
ваться на любую длину волны в непрерывном диапазоне волн.
Мощность передатчика обычно определяется как максималь-
ная мощность высокочастотных колебаний, поступающая в антенну
при отсутствии модуляции и при непрерывном излучении. Однако
этой характеристики недостаточно для оценки мощности радиопе-
редатчика. Дело в том, что в технике радиосвязи часто приходится
58
Основы радиосвязи и телевидения'
иметь дело с сигналами, напряжение которых изменяется в очень
широких пределах и в сравнительно короткие промежутки времени
может принимать значения, в несколько раз превосходящие сред-
ний уровень. Характерным примером подобного режима может слу-
жить радиолокационный передатчик, излучающий импульсы дли-
тельностью около 1 микросекунды, разделенные интервалами около
1 миллисекунды, т.е. в 1000 раз большей длительности. Если бы при
проектировании передатчика расчет велся на то, что в моменты этих
выбросов мощность излучения соответствовала бы номинальной, то
фактическая средняя мощность излучения была бы во много раз
меньше. Передатчик был бы использован значительно слабее своих
возможностей, а при необходимости обеспечить большую дальность
радиосвязи потребовалось бы применить передатчик значительно
большей мощности.
В системах радиовещания промежутки времени, в которые ам-
плитуда колебаний достигает максимальных значений, занимают
обычно большую часть общего времени работы передатчика (на-
пример, 10...20%), длительность их доходит до десятков миллисе-
кунд, но и в этом случае описанное временное форсирование пере-
датчика возможно, хотя и в меньших пределах.
В соответствии с изложенным мощность передатчика, помимо
цифры максимальной мощности, при непрерывной работе характе-
ризуют значениями пиковой мощности, которая может быть обеспе-
чена в течение ограниченных промежутков времени. Например, если
средняя мощность передатчика при непрерывной работе 100 кВт, то
она может доходить до 200 кВт, если длительность импульсов не
превышает интервалов между ними.
Важнейшими показателями радиопередатчика являются ста-
бильность излучаемой им частоты и уровень побочных излучений.
Дело в том, что если строго соблюдается присвоенная данному пе-
редатчику частота сигнала, то настроенный на эту частоту приемник
начинает принимать передаваемые сигналы тотчас после включе-
ния, не требуя подстроек; это способствует удобству эксплуатации
и высокой надежности радиосвязи, а также облегчает автомати-
зацию оборудования. Кроме того, частотные диапазоны, исполь-
зуемые для радиосвязи и вещания, переуплотнены сигналами
одновременно работающих радиостанций, поэтому если частота
передатчика отличается от разрешенного значения, то она может
приблизиться к частоте другого передатчика, что вызовет помехи
приему его сигналов.
По существующим международным нормам отклонение от номи-
нала частоты передатчика для радиосвязи на гектометровых волнах
не должно превышать 0,005%; для радиовещательных передатчи-
2. Радиопередающие устройства 59
ков отклонение частоты в этом диапазоне не должно превышать
10 Гц. На декаметровых волнах допустимая нестабильность часто-
ты для передатчиков мощностью более 0,5 кВт равна 15-Ю"6, что
соответствует в диапазоне 4...30 МГц абсолютному отклонению
частоты от 60 до 450 Гц. Некоторые системы радиосвязи по своему
принципу работы требуют, чтобы стабильность частоты была значи-
тельно лучше, чем предусматривается указанными нормами.
Побочными излучениями радиопередатчика называются излучения на
частотах, расположенных за пределами полосы, которую занимает пере-
даваемый радиосигнал. К побочным излучениям относятся гармониче-
ские излучения передатчика, паразитные излучения и вредные продукты
взаимной модуляции.
Гармоническими излучениями (гармониками) передатчика назы-
ваются излучения на частотах, в целое число раз превышающих
частоту передаваемого радиосигнала. : ;
Паразитными излучениями называются возникающие иногда в
передатчиках колебания, частоты которых никак не связаны с часто-
той радиосигнала или с частотами вспомогательных колебаний, ис-
пользуемых в процессе синтеза частот, модуляции и других процес-
сов обработки сигнала.
Известно, что при действии в нелинейной цепи, например, двух
ЭДС с частотами nf2, спектр тока содержит, помимо составляю-
щих с этими частотами и их гармоник, также составляющие с часто-
тами вида mf} +nf2, где т и п - целые числа. Это явление и лежит
в основе взаимной модуляции; оно обусловлено наличием в пере-
датчике элементов, обладающих нелинейными характеристиками,
главным образом транзисторов или электронных ламп.
Интенсивность побочных излучений характеризуется мощностью
соответствующих колебаний в антенне передатчика. Например, по
действующим международным нормам радиопередатчики на часто-
тах до 30 МГц должны иметь мощность побочных излучений нё ме-
нее чём в 10 000 раз (на 40 дБ) ниже мощности основного излуче-
ния и не более 50 мВт.
Показатели, определяющие качество передачи вещательного Сиг-
нала (электроакустические показатели), в принципе не отличаются
от аналогичных параметров электрического канала вещания, что есте-
ственно, поскольку передатчик является частью канала - трактом вто-
ричного распределения.
Некоторое отличие заключается лишь в том, что эти показатели
нормируются и измеряются относительно уровня сигнала, соответ-
ствующего определенному коэффициенту модуляции сигналом час-
тотой 1000 Гц. Для допустимого отклонения амплитуднО-частотнбй
характеристики этот коэффициент равен 50%.
60
Основы радиосвязи и телевидения
Коэффициент гармоник определяется при коэффициенте моду-
ляции 50, 90, а также 10%, что обусловлено наличием в модуляторе
передатчика специфических искажений вида двустороннего ограни-
чения, заметных при большом коэффициенте модуляции, вида
«центральной отсечки», заметных при малом коэффициенте моду-
ляции. Защищенность от интегральной помехи и от псофометриче-
ского шума измеряется относительно уровня модулирующего сиг-
нала, соответствующего 100%-ной модуляции. Эксплуатационный
персонал часто употребляет термин «уровень шумов», который
оценивается в децибелах относительно уровня модулирующего
сигнала с частотой 10ОО Гц, соответствующего коэффициенту мо-
дуляции 100 %. Численно он равен величине защищенности от ин-
тегральной помехи, взятой со знаком «минус».
Радиопередатчики можно классифицировать по назначению, по
диапазону волн, по мощности, по роду работы, способу транспорти-
ровки. Так, в зависимости от назначения передатчики делятся на связ-
ные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радио-
навигационные, телеметрические и т.д. По мощности передатчики
подразделяются на маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до
10 кВт), мощные (до 1000 кВт) и сверхмощные (свыше 1000 кВт). По
роду работы (виду излучения) различают передатчики телеграфные,
телефонные, однополосные, импульсные и т.д. По способу транспор-
тировки передатчики классифицируются на стационарные и подвиж-
ные (переносные, автомобильные, корабельные, самолетные и т.д.).
2.3. Особенности усилителей мощности радиопередающих
устройств
Усилители мощности в технике радиопередающих устройств
принято называть генераторами с внешним возбуждением.
Нагрузкой выходного каскада является контур, настроенный на
частоту усиливаемых колебаний.
Требования к усилителям мощности в радиопередающих устрой-
ствах отличаются двумя характерными особенностями:
- во-первых, требуется получить большую выходную мощность
при минимуме потерь;
- во-вторых, нет необходимости сохранять форму усиливаемых
колебаний, как в усилителях звуковой частоты.
Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) представляет собой
преобразователь мощности источника постоянного тока Ро в мощ-
ность высокой частоты Рк. Работа ГВВ возможна только при подаче
на его вход внешнего сигнала Рвх (от возбудителя). При этом
Рвх < Р* Основные показатели работы ГВВ: мощность радиочасто-
2. Радиопередающие устройства
61
ты в нагрузке Рк, КПД генератора Г|г = Pk/Pq , коэффициент усиле7
мия по мощности Кр = PJPBX, спектр колебаний в нагрузке внутри
и вне занимаемой полосы частот, отсутствие самовозбуждения.
В качестве усилительных приборов в ГВВ используют элек-
тронные лампы, биполярные и полевые транзисторы, а в ключе-
вых генераторах - и тиристоры. Электронные лампы широко при-
меняют благодаря их универсальности. Они работают в широком
диапазоне частот и обеспечивают выходную мощность от единиц
ватт до нескольких мегаватт, устойчивы к внешним воздействиям
(температура, давление, механические нагрузки), имеют срок служ-
бы до 5000 ч. Полупроводниковые приборы применяют в передат-
чиках малой и средней мощности.
Физические процессы, лежащие в основе работы ламп и транзи-
сторов, различны, однако их вольтамперные характеристики каче-
ственно одинаковы, хотя и имеют некоторые различия. Лампы
обладают левыми характеристиками, т.е. находятся в области
отрицательных напряжений на управляющей сетке, а характеристи-
ки транзисторов сдвинуты вправо, и запирание транзистора проис-
ходит при нулевом напряжении на базе.
Генератор внешнего возбуждения может работать как в линей-
ном, так и в нелинейном режимах. Линейный режим работы обеспе-
чивается при угле отсечки 0 = 180°. Угол отсечки 0 - это выраженная
в угловой мере (градусах, радианах) половина той доли периода, в
течение которой существует анодный (коллекторный) ток. Режим
усилителя мощности радиочастоты при 0 = 180° называется колеба-
ниями первого рода (они соответствуют классу А в апериодических
усилителях). В режиме колебаний первого рода ГВВ применяют
крайне редко из-за невысокого КПД, не превышающего 50%.
В этом режиме амплитуды входного напряжения и напряжения
смещения подобраны так, что. работа происходит на линейном уча-
стке характеристики лампы (или транзистора) (рис. 2.2, а). При этом
кроме переменной составляющей тока в цепи протекает большой
постоянный ток /0, который обусловливает энергетические потери,
Полная потребляемая мощность источника Ро = 1йЕа определяется
этим током и напряжением питания Ев. Полезная мощность связа-
на только с переменной составляющей тока /1.
Нелинейный режим обеспечивается при 0 < 180° (колебания
второго рода). При этом форму импульсов анодного (коллекторно-
го) тока характеризуют амплитуда /ат (/кт) и угол отсечки 0....
Углом отсечки называется та часть периода (см. рис. 2.2, б),
в течение которого протекающий ток изменяется от максимального
значения до нуля.
62 Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 2.2. Режимы работы ламп без отсечки (а)
и с отсечкой (б) анодного тока
Рис. 2.3. Схема транзисторного усилителя мощности
Энергетические соотношения в ГВВ рассмотрим на примере
транзисторного каскада (рис. 2.3) [2].
Мощность, потребляемая от источника, Ро -0,51к0Е0, полезная
мощность, выделяемая в нагрузке, Рк = 0,5/к1С/к, мощность источ-
ника возбуждения Рс =0,5/61L/o, коэффициент полезного действия
(электронный КПД) f\ = Рк/Ро =Q,5[(I^UK)/(lK0E0)] и коэффициент
усиления по мощности Кр = Рк/Рс = . Из приведен-
ных соотношений видно, что Кр и ц определяются гармонически-
ми составляющими токов транзистора, которые, в свою очередь,
являются функциями углов отсечки. Графики зависимости коэф-
фициентов разложения косинусоидального импульса
а0, (Xi, а2, аз, clJol0 от угла отсечки 0 приведены на рис. 2.4.
Из графиков видно, что для каждой гармоники существуют опти-
мальные углы отсечки, при которых их содержание в импульсах
максимально. Максимум полезной мощности соответствует выра-
Ж6НИЮ 0опт я 120°/л • Для первой гармоники л = 1 и 0 ОПТ ~ 120°, для
второй (л = 2) - соответственно 0ОПт = 60° и т.д.
2. Радиопередающие устройства
63
«о, oti, аг, аз, ai/ao
О 30 60 90 120 0, град
Рис. 2.4. Зависимости коэффициентов разложения от угла отсечки
Амплитуда тока n-й гармоники всегда меньше амплитуды тока
гармоники более низкого порядка. Следует также отметить, что при
6 = 90° коэффициент а3 = 0, т.е. в спектре тока отсутствует третья
и все нечётные гармоники выше третьей.
Эффективность преобразования энергии источника Ео в энер-
гию радиочастотных колебаний количественно оценивают элек-
тронным КПД (дэ). Если /ко = /кт . а /к1 = /$, ТО Т]э =a1UK/(a0E0),
где с^/осо называется коэффициентом формы импульса тока,
UK/E0- коэффициентом использования коллекторного (анодного)
напряжения.
Как видно из графика, при 0 < 0 < 120° полезная мощность падает с
уменьшением 0, а Т|э растет (штриховая линия на рис. 2.4), достигая
своего максимума (при заданном /а тах) при 0 = 0. Однако такой режим
не имеет физического смысла, так как Рк и Ро принимают нулевые
значения. На практике выбирают 0 fe 90°. При этом полезная мощность
меньше максимально возможной на 7%, а Г|э выше почти в 1,2 раза
(т|э= 73%). Более высокое значение можно получить в транзисторных
ГВВ, работающих в ключевом режиме, когда импульс тока формирует-
ся в состоянии насыщения транзистора. Это повышает надежность
работы схемы, так как при заданной генерируемой мощности потери
в транзисторе минимальны; параметры транзистора мало влияют на
генерируемую мощность; упрощается настройка генератора в производ-
стве. Следует заметить, что форму импульса анодного тока могут иска-
жать сеточные токи, так как при низком анодном напряжении, когда на-
пряжение на сетке положительно, значительная часть общего катодного
тока может ответвляться на сетку. Степень влияния сеточного тока ха-
рактеризует напряженность режима работы генератора. По напряжен-
ности различают три режима работы: недонапряженный режим, харак-
теризующийся остроконечной формой импульса анодного тока; крити-
64
Основы радиосвязи и телевидения
ческий режим, когда импульс анодного тока несколько усечен в верхней
части, и перенапряженный режим, при котором возникает провал на
вершине импульса анодного тока (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Недонапряженный (а, б), критический (в)
и перенапряженный (а) режимы работы лампы
Рис. 2.6. Зависимости мощности и КПД оконечного
каскада от сопротивления нагрузки
Напряженность режима в значительной мере определяется ве-
личиной нагрузочного сопротивления (эквивалентным сопротивле-
нием контура Яэ), так как от него зависит напряжение на аноде
лампы. Зависимости мощностей и КПД анодной цепи от сопротив-
ления нагрузки выражаются нагрузочными характеристиками (рис.
2.6). Колебательная мощность в контуре Рк1 = Ми/к1/2 максимальна
в критическом режиме (R3 = ЯЭкр)- В недонапряженном режиме на-
пряжение на контуре L/K1 мало, так как сопротивление контура R3
невелико. В области перенапряженного режима в импульсах анодно-
го тока появляются провалы, что приводит к уменьшению первой
гармоники тока /а,
Из характеристик также видно, что при возрастании сопротивления
нагрузки потребляемая мощность Ро уменьшается. Однако в области
недонапряженного режима это уменьшение незначительно, так как
форма импульса анодного тока почти не изменяется. При увеличении
2. Радиопередающие устройства
65
сопротивления R3 в перенапряженном режиме подводимая мощность
резко уменьшается вследствие появления провала в импульсах анодно-
го тока и соответственного уменьшения постоянной составляющей
анодного питания.
Мощность рассеяния на аноде Ра представляет собой разность
подводимой и колебательной мощностей. В области недонапряжен-
ного режима рассеиваемая мощность может быть настолько велика,
что анод лампы расплавится. Это, в частности, происходит, если
выключить задающий генератор при работе усилителя мощности
в режиме с малым углом отсечки.
2.4. Генерирование высокочастотных колебаний
Рассмотренный выше генератор требует для свой работы внеш-
нее возбуждение.
Вместе с тем существует класс колебаний, возникновение кото-
рых не связано с каким-либо внешним воздействием. Они появля-
ются как бы сами собой в специальных устройствах, имеют вполне
определенную форму, параметры, свои особенности. Разумеется,
из ничего эти колебания появиться не могут. Для их возникновения
необходимы определенные условия, причины; о них будем говорить
позже. Сейчас же обратим внимание на то, что колебания форми-
руются самостоятельно, без постороннего воздействия. Такие коле-
бания называются автоколебаниями, а устройства, их порождаю-
щие, - автогенераторами, которые далее будем называть просто
генераторами.
Определим те предпосылки, которые необходимы для само-
произвольного возникновения автоколебаний. Для этого обратим-
ся к обычному параллельному колебательному LC-контуру. Если
контур подвергнуть кратковременному воздействию (например,
импульсному), в нем возникнут электрические колебания, меняю-
щиеся по синусоидальному закону. Из электротехники известно,
что колебательный процесс в контуре не может продолжаться бес-
конечно долго, рано или поздно он затухнет. Причина затухания
тоже известна: из-за потерь в контуре энергия колебания непре-
рывно уменьшается, рассеивается. В конечном итоге колебание
уменьшится до нуля.
Значит, для того чтобы колебание не исчезло, необходимо по-
стоянно пополнять рассеиваемую энергию. Поскольку в контуре от-
сутствует источник энергии, придется это делать за счет внешнего
источника. В качестве него можно взять источник постоянного на-
пряжения или тока.
5 - 6973
66
Основы радиосвязи и телевидения
Обратимся к схеме рис. 2.7. Если в отсутствие в LC-контуре коле-
баний ключ К перевести в положение 2, конденсатор С зарядится да
напряжения источника Е, получив некоторое количество энергии. При
переводе ключа в положение 1 в контуре возникнут свободные коле-
бания. Чтобы колебания не затухали (из-за наличия сопротивления
потерь Rn), будем периодически в такт с колебательным процессом
подключать конденсатор С к источнику Е. В результате конденсатор
будет постоянно порциями подзаряжаться от источника, пополняя свою
энергию. За счет этого колебания в контуре станут незатухающими.
Для поддержания в контуре колебаний необходимо синхронное
с ними переключение ключа К. Для этого необходима цепь управ-
ления (цепь обратной связи), передающая соответствующие коман-
ды на переключения. Очевидно
сам контур, который определяет
той Wo = У/^LC.
источником команд должен быть
периодичность колебаний с часто-
Рис. 2.7. К вопросу колебаний
в LC-контуре
Рис. 2.8. Принципиальная схема
автогенератора
Рассмотренная простейшая схема может считаться моделью ав-
тогенератора гармонических колебаний. Практическая реализация
этой модели представлена схемой на рис. 2.8. Частотозадающим
звеном является ЛС-контур, источником энергии - источник посто-
янного напряжения Ес, включенный в цепь стока полевого транзи-
стора VT. Роль ключа К выполняет затвор транзистора. Напряжение
U3 на затворе управляет током стока /. Переменная составляющая
этого тока пополняет энергию контура. Обратная связь обеспечива-
ется катушкой связи LcB, индуктивно связанной с катушкой контура L.
Степень обратной связи определяется коэффициентом взаимоин-
дукции М. Транзистор не только выполняет функцию ключа К, но и
«помогает» обратной связи, обеспечивая за счет своего усиления
поступление в контур необходимых порций энергии. Дополнительный
источник Е в цепи затвора играет вспомогательную роль, устанавли-
вая, как увидим далее, необходимый режим работы транзистора.
&. Радиопередающие устройства 67
< Таким образом, все необходимые для генерации элементы, оп-
ределяемые моделью генератора (см. рис. 2.7)^ находим в принци-
пиальной схеме рис. 2.8. Однако для генерации колебаний необхо-
димо еще выполнить определенные условия, которые нужны, во-
первых, для появления колебаний (баланс фаз) и, во-вторых, для
поддержания возникших колебаний с определенной амплитудой и
частотой (баланс амплитуд).
Вначале рассмотрим физическую картину самовозбуждения.
В генераторе, как и в любой схеме и цепи, колебания из ничего
появиться не могут. Необходим какой-то толчок изнутри или снаружи.
Таким внутренним толчком могут быть флуктуации напряжения или
тока, вызванные тепловым движением носителей зарядов (электро-
нов). Эти флуктуации очень малы по интенсивности, но при опреде-
ленных условиях могут стать источником упорядоченных колебаний.
Рассмотрим более простую ситуацию, связанную с появлением
тока в момент включения источника напряжения Ес. При появлении
тока стока / конденсатор контура С зарядится и в контуре начнутся
свободные затухающие колебания. Переменный ток iL, проходя-
щий по катушке L, за счет взаимоиндукции вызывает появление пе-
ременного напряжения U3 на катушке связи Lcb - Это напряжение,
приложенное к затвору, вызывает пульсацию тока стока. В нем со-
держится переменная составляющая, которая создает на контуре
переменное напряжение UK. Фактически напряжение U* является
усиленным транзистором переменным напряжением затвора. Час-
тота напряжения на затворе равна частоте собственных колебаний
контура. Следовательно, и переменная составляющая тока стока
имеет ту же частоту. Поэтому в контуре автоматически всегда будет
резонанс токов и LC-контур для переменной составляющей тока
стока представляет большое резйстивное сопротивление R3K.
Для самовозбуждения обратная связь должна быть достаточно
большой, иначе переменное напряжение на затворе вызовет слиш-
ком малую переменную составляющую тока стока, энергия которой
окажется недостаточной для компенсации потерь в контуре.
В принципе генератор похож на усилитель. Колебания, возникаю-
щие в контуре, с помощью обратной связи подаются на вход усили-
тельного элемента (в данном случае транзистора), усиливаются им
и выделяются на контуре, далее вновь поступают на вход транзи-
стора, снова усиливаются и т.д. Амплитуда колебаний возрастает и
доходит до определенного предела. По сути генератор является
усилителем собственных колебаний контура. По этой причине (если
выполняются условия самовозбуждения) любой усилитель может
превратиться в генератор. Например, микрофонный усилитель ста-
новится генератором звуковых колебаний, если из-за неудачной аку-
5*
68
Основы радиосвязи и телевидения
стики помещения или плохой экранировки цепей возникают каналы
акустической или электрической обратной связи, приводящие к само-
возбуждению усилителя. В данном случае обратная связь играет
вредную роль.
Теперь рассмотрим условия поддержания уже возникших колеба-
ний, характерных для стационарного режима генератора, - колеба-
ний с постоянной амплитудой и частотой. На рис. 2.9 показаны диа-
граммы токов и напряжений в различных точках схемы генератора
(см. рис. 2.8). Причем в них учитываются только переменные состав-
ляющие, ибо только они играют определяющую роль в развитии про-
цесса. Постоянные составляющие во внимание принимать не будем.
За-асходное колебание возьмем ток iL, протекающий в индуктив-
ной живи LC-контура (а). За счет тока /\ в катушке обратной связи
Рис. 2.9. Диаграммы напряже-
ний и токов в автогенераторе
Lee наводится ЭДС£П, являю-
щаяся одновременно входным
напряжением U3 транзистора (б).
Электродвижущая сила Е„ свя-
зана стоком iL простым соотно-
шением Еп = +MdiL/dt. Знак «+»
или «-» в этом соотношении за-
висит от того, как намотаны и
связаны между собой катушки L
и Leg. В любом случае ЭДС Еп
сдвинута относительно тока iL на
90°, т.е. представляет собой ко-
синусоидальное колебание. Од-
нако будет ли Еп опережать ток
4 или отставать от него, зависит
в соответствии с вышеприведен-
ной формулой от того, как вклю-
чены концы одной из катушек.
В нашем случае Еп опережает
по фазе ток 4 на 90° (сплошная
линия). Входное напряжение
U3 = Еп вызывает изменение тока
стока / в той же фазе (в). Ток / соз-
дает падение напряжения на кон-
туре генератора (а). Так как контур
является «дирижером» частоты и
колебания осуществляются на резонансной частоте контура а>0, фа-
за напряжения UK совпадает с фазой тока /. Сопротивление конту-
ра Яэк имеет здесь резистивный характер. Ток 4 в индуктивной
ветви контура отстает по фазе от напряжения UK на 90° (д).
2. Радиопередающие устройства
69
' Ток /£ можно рассматривать как «добавку», приращение к суще-
ствующему току iL (а) контура. В самом деле, ведь в конечном ито-'
ге ток /'f обязан своим появлением ЭДС Е„, наведенной в катушку
связи LcB. Если бы ЭДС была равна нулю, всех последующих коле-
баний просто не было бы. Следовательно, существование и значе-
ние тока непосредственно зависит от наличия и значения ЭДС. Чем
больше наведенная в катушке LcB ЭДС, тем большей окажется ам-
плитуда порожденного ею тока /£.
Приращение /£ по отношению к току iL может быть положи-
тельным, когда фазы /£ и iL совпадают (токи синфазны), или отри-
цательным, когда эти же токи будут иметь противоположные, сдви-
нутые на 180° фазы (токи противофазны). В первом случае ток /£
поддерживает ток iL, во втором - подавляет этот же ток.
В нашем случае, как видно из сравнения диаграмм (а) и (д), ток
7 синфазен с током /\, следовательно, увеличивает последний.
Обратная связь здесь оказывается положительной.
Если .теперь поменять друг с другом концы катушек связи ,
ЭДС Еп будет отставать по фазе от тока iL на те же 90° (знак в вы-
шеприведенной формуле изменится на противоположный) и окажет-
ся в противофазе со своим первоначальным значением. На диаграм-
ме (б) для данного случая колебания показаны штриховой линией.
Далее последующие процессы будут протекать, как описано выше
(все они показаны штриховой линией). В итоге видим, что ток /£ ока-
зывается, как и следовало ожидать, в противофазе с током iL. Сле-
довательно, ток i'l не только не будет поддерживать iL, но будет
последний подавлять, увеличивая затухание контура. Обратная связь
станет отрицательной, при которой ни самовозбуждение, ни даже
поддержание уже возникших колебаний окажется невозможным.
Действие положительной и отрицательной обратной связи можно
проследить на простой механической модели маятника (или каче-
лей). Если подталкивать маятник в такт с его собственными колеба-
ниями, маятник будет раскачиваться. Если в «противотакт» - маят-
ник будет тормозиться. Таким образом, для самовозбуждения гене-
ратора и поддержания в нем незатухающих колебаний должны
выполняться два условия: обратная связь должна быть положи-
тельной, а ее значение - достаточно большим для полной компен-
сации рассеиваемой энергии в контуре. Рассмотренная картина да-
ет нам, конечно, только качественное представление о тех физиче-
ских процессах, которые протекают в автогенераторе.
Две схемы генераторов с самовозбуждением показаны на
рис. 2.10. В схеме рис. 2.10, а применена автотрансформаторная
связь: на вход усилителя подается часть напряжения с контура при
помощи отвода от катушки в точке т.
70
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 2.10. Принципиальные схемы автогенераторов
В схеме рис. 2.10, б применена емкостная связь. Полная емкость
контура образована включенными последовательно конденсаторами
С1 и С2, а на вход усилителя подается напряжение с конденсатора
С2. Усиленные колебания подаются в контур через конденсатор Ср,
а питающее напряжение на усилительный элемент подается через
резистор Rn. Во всех схемах между управляющим электродом уси-
лительного элемента и общей точкой включено сопротивление Rc.
Это сопротивление способствует стабилизации амплитуды генери-
руемых колебаний. Проходящий по нему ток создает падение на-
пряжения. При возрастании амплитуды тока через сопротивление
Rc падение напряжения на нем увеличивается - изменение напря-
жения смещения на управляющем электроде уменьшает усиление.
При уменьшении амплитуды колебаний это напряжение уменьша-
ется, а усиление возрастает, что способствует восстановлению
первоначальной амплитуды колебаний.
Генераторы с обратной связью для диапазонов дециметровых
и сантиметровых волн, в принципе, не отличаются от описанных. Они
отличаются только конструкцией колебательного контура, а в случае
наиболее коротких волн - также типом усилительного элемента. На
дециметровых и сантиметровых волнах используются соответствен-
но короткозамкнутые отрезки коаксиальных линий и волноводов и
объемные резонаторы. В качестве усилительного элемента на сан-
тиметровых волнах применяют клистроны и лампы бегущей волны.
При необходимости в генераторе с высокой стабильностью час-
тоты предпочтение отдается усилительным элементам минималь-
ной мощности; в них выделяется соответственно мало тепла, что
облегчает стабилизацию температуры генератора, которая пред-
ставляет одно из условий постоянства частоты. Широко применяют-
ся маломощные транзисторы и туннельные диоды.
2. Радиопередающие устройства
71
Рис. 2.11. Автогенератор на туннельном диоде
б)
Характеристика туннельного диода имеет падающий участок, ко-
торому соответствует отрицательное сопротивление в пределах это-
го участка (АВ на рис. 2.11, а). Из приведенных выше схем видно, что
в автогенераторе с обратной связью действие усилителя эквива-
лентно шунтированию колебательного контура отрицательным со-
противлением; в случае туннельного диода это отрицательное
сопротивление получается более просто, путем выбора рабочей точ-
ки на падающем участке характеристики. Туннельный диод (ТД) под-
ключается параллельно колебательному LC-контуру (рис. 2.11, б) или
последовательно с его элементами. Рабочая точка устанавливается
при помощи делителя напряжения на резисторах R1 и R2. Генерато-
ры с туннельными диодами делаются для любых частот радиодиапа-
зонов, вплоть до миллиметровых волн.
2.5. Принципы стабилизации частоты
Частота свободных колебаний в контуре зависит главным образом
от его индуктивности и емкости. Эти параметры не только связаны со
свойствами катушки и конденсатора, но зависят и от присоединенных
к колебательному контуру внешних цепей. Температура и другие па-
раметры окружающей среды,могут вызывать изменение результи-
рующих индуктивности и емкости и через них влиять на частоту коле-
баний контура. В случае генератора это приведет к изменению часто-
ты генерируемых колебаний, которая изменяется также при любых
регулировках или изменениях в присоединенных цепях.
Внутренняя емкость усилительного элемента и его входное и вы-
ходное активные сопротивления зависят от приложенного напряжения
питания. Поэтому непостоянство напряжения питания транзистора или
туннельного диода и других электронных элементов, входящих в со-
став генератора или подключенных к нему, также вызывает изменение
частоты. Механические сотрясения и удары также могут приводить
к изменениям частоты из-за изменений емкости и индуктивности.
Для улучшения температурной стабильности при изготовлении
колебательного контура выбирают материалы, наименее подвер-
72
Основы радиосвязи и телевидения
женные влиянию температуры. Дополнительно применяют темпе-
ратурную компенсацию, включая в состав контура компенсационный
конденсатор, емкость которого благодаря специальному подбору
изоляционного материала уменьшается при повышении температу-
ры и вызывает повышение частоты, что компенсирует ее понижение
из-за влияния температуры на другие элементы.
Чтобы устранить влияние внешней температуры и других
свойств внешней среды на генератор, его помещают в герметичный
термостат-камеру с точно стабилизированной температурой.
Влияние подключенных к контуру внешних цепей и элементов
уменьшается ослаблением связи контура с ними и, в частности,
с нагрузкой. Чтобы уменьшить влияние нагрузки, между ней и гене-
ратором используют промежуточный «буферный» усилитель.
Нестабильность питающего напряжения устраняется примене-
нием стабилизатора. Воздействие механических сотрясений пре-
дотвращается амортизацией, т.е. упругой подвеской генератора.
Эффективный способ получения колебаний стабильной частоты
состоит во включении в генератор кварцевого резонатора. Такой резо-
натор представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца
и помещенную между двумя металлическими обкладками (электрода-
ми). Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом.
При механической деформации пластины на ее поверхности возника-
ют электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект); при
действии электрического поля пластина деформируется (обратный
пьезоэлектрический эффект). Если приложенное напряжение пере-
менное, то пластина совершает механические колебания.
о о Кварцевая пластина, как и
<—I— всякое упругое тело, обладает
J резонансной частотой механи-
fb ческих колебаний, зависящей от
1 ее размеров. Будучи включен-
—|— Со ной в электрическую цепь, пла-
п стина представляет собой
ЦГк обычную резонансную систему,
Т т.е. обладает свойствами коле-
Т бательного контура. Эквива-
лентная электрическая схема
Рис. 2.12. Эквивалентная элек-
трическая схема кварцевого
резонатора
кварцевого резонатора пред-
ставляет собой последователь-
но включенные индуктивность,
емкость и активное сопротивле-
ние, параллельно которым включена емкость между выводами
резонатора (рис. 2.12). В соответствии со схемой рис. 2.12 квар-
2. Радиопередвющие устройства
73
цевый резонатор имеет две резонансные частоты: частоту по-
следовательного резонанса шк = ч/У^Ск и частоту параллельно-
го резонанса (о0 = 1Д/МСкС0/(Ск + С0)] • Поскольку ёмкость после-
довательно соединенных конденсаторов Ск и Со меньше емкости
Ск, то (о0 > (ок • Следует отметить, что разница между этими часто-
тами составляет несколько сотен герц. Так как Со зависит и от
внешних цепей; то ©о она менее стабильна, чем сок.
Замечательным свойством кварцевого резонатора является сла-
бая зависимость его параметров от изменения температуры и на-
пряжения питания. Так, относительное изменение частоты генерато-
ра с кварцевым резонатором при изменении окружающей температу-
ры на 1°С или питающего напряжения на 0,1 В не превышает 1СГ8.
Это и определило исключительную популярность кварцевых резона-
торов для обеспечения стабильной частоты автогенераторов.
Существует большое число различных схем автогенераторов с
кварцевым резонатором, отличающихся активным (усилительным)
элементом (лампа, транзистор, туннельный диод, интегральный мо-
дуль и т.д.) и способом или местом включения резонатора (резонатор
в качестве одного из сопротивлений трехточечной схемы, резонатор
в цепи положительной обратной связи и т.д.). Наиболее часто в каче-
стве активного элемента используются транзистор и туннельный диод.
Одна из возможных практических схем транзисторного кварцевого
автогенератора приведена на рис. 2.13. Кварцевый резонатор возбуж-
дается на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса сок.
Для коррекции частоты предусмотрена катушка L, включенная последо-
вательно с резонатором П. Рабочая точка транзистора определяется
сопротивлениями резисторов Я1-Я2. Конденсаторы С1 и С2 совместно
с резонатором и катушкой L образуют схему емкостной трехточки.
Современные передатчики, Как правило, предназначены для ра-
боты не на одной частоте, а в широком диапазоне частот. При этом
на какой бы частоте ни работал передатчик, он должен обеспечить
требуемую стабильность частоты. Использовать для каждой часто-
ты кварцевый генератор нецелесообразно. Поэтому разработаны
специальные устройства - синтезаторы частоты, в которых ис-
пользуются способы прямого или косвенного синтеза частоты на
основе стабильного опорного генератора.
При прямом синтезе выходная частота синтезатора получается
путем многократных последовательно проводимых операций деле-
ния, умножения, сложения и вычитания частоты колебания опорного
генератора и частот, получающихся при этих операциях колебаний.
Деление частоты производится специальными каскадами - де-
лителями частоты, в качестве которых можно использовать, напри-
мер, триггеры.
74
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 2.13. Схема кварцевого автогенератора
В качестве умножителей обычно используются генераторы гар-
моник, формирующие короткие импульсы из колебания, частота ко-
торого подлежит умножению. Спектр этих импульсов богат гармони-
ками. С помощью узкополосного полосового фильтра из спектра
импульсов выделяется сигнал требуемой гармоники.
Сложение и вычитание частот получается в процессе преобра-
зования частоты в преобразователях (иногда их называют смесите-
лями). На входы преобразователя подаются два сигнала с частота-
ми, которые надо сложить или вычесть. При взаимодействии этих
сигналов в преобразователе возникают составляющие различных
комбинационных частот, в том числе суммарной и разностной, одна
из которых выделяется фильтром.
Принцип прямого синтеза частоты можно пояснить с помощью
рис. 2.14, где приняты следующие обозначения: Г - кварцевый генера-
тор частоты 1 МГц; Д1-ДЗ - делители частоты на 10; У1-УЗ - умножи-
тели частоты с изменяемым коэффициентом умножения; Пр1, Пр2 -
преобразователи частоты. Предположим, что необходимо получить
частоту 156 кГц. После делителей частоты Д1-ДЗ получаются частоты
соответственно 100, 10 и 1 кГц. Установив переключатели настройки
умножителей У1-УЗ в положения л, - 1, пг = 5 и п3 =6, получим на
выходах умножителей соответственно частоты 100, 50 и 6 кГц. На вы-
ходе преобразователя Пр2 выделяется суммарный сигнал с частотой
50 + 6 = 56 кГц, а после преобразователя Пр1 - нужная частота 156 кГц.
Выделение нужных частот после умножителей и преобразовате-
лей производится резонансными контурами или фильтрами. Следу-
ет иметь в виду, что для уменьшения побочных составляющих (со-
седние гармоники, остатки слагаемых или вычитаемых в преобра-
зователях сигналов, их комбинационных составляющих) необходи-
мо использовать достаточно сложные фильтрующие устройства.
2. Радиопередающие устройства
75
Рис. 2.14. Структурная схема синтезатора частоты
Рис. 2.15. Синтезатор частоты с ФАПЧ первого типа
В синтезаторах косвенного синтеза источником колебаний рабо-
чей частоты служит перестраиваемый по частоте управляемый на-
пряжением генератор (УГ). Текущая частота УГ преобразуется
в частоту, равную частоте опорного сигнала или частоте другого
колебания, полученного из сигнала опорного генератора, и сопос-
тавляется с ней. В результате сравнения частот (с точностью до
фазы) вырабатывается сигнал ошибки, который и подстраивает
управляемый генератор. Цепь, выполняющая эти операции, назы-
вается системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Обычно используются два типа систем фазовой автоподстройки:
с делением частоты в цепи приведения частоты управляемого гене-
ратора к частоте опорного сигнала и с суммированием или вычита-
нием сигналов в этой цепи, т.е. с преобразованием частоты [2].
Принцип работы системы ФАПЧ первого типа состоит в следующем
(рис. 2.15). Колебания управляемого напряжением генератора УГ по-
даются на один из двух входов фазового детектора (ФД) через дели-
тель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), который делит
частоту сигнала генератора в п раз. На второй вход фазового детекто-
76
Основы радиосвязи и телевидения
ра подается сигнал опорного генератора ОГ с частотой f0. Выходное
напряжение фазового детектора через фильтр нижних частот (ФНЧ)
воздействует на управляемый генератор так, что частота его сигнала,
поделенная в п раз, будет равна частоте опорного генератора. Изме-
няя коэффициент деления ДПКД, можно изменять частоту генератора
с шагом, равным частоте f0. В качестве ДПКД обычно используются
счетчики импульсов, выполненные на цифровых элементах.
Рис. 2.16. Синтезатор частоты с ФАПЧ второго типа
Принцип работы системы ФАПЧ второго типа поясняется
рис. 2.16. Колебания управляемого генератора с частотой fyr и ко-
лебания генератора сдвига (ГС) с частотой fc подаются на входы
преобразователя частоты Пр. На выходе последнего полосовым
фильтром (ПФ) выделяется сигнал разностной частоты Д/ = fc -fyr
или д/ = fyr - fc . Этот сигнал подается на один вход фазового детек-
тора, на второй его вход поступает сигнал опорного генератора f0.
На выходе детектора образуется управляющее напряжение, которое
изменяет частоту управляемого генератора до получения равенства
Д/ = f0 . В качестве генератора сдвига можно использовать синтеза-
тор, выполненный на основе метода прямого синтеза частоты.
Контрольные вопросы
2.1. Приведите функциональную схему радиопередатчика и поясните на-
значение ее основных узлов,
2.2. Какими техническими показателями характеризуется радиопередатчик?
2.3. Каким образом осуществляется классификация радиопередающих уст-
ройств?
2.4. В чем заключаются особенности работы усилителей мощности (генера-
торов с внешним возбуждением) радиопередатчиков?
2.5. Поясните принципы работы автогенератора.
2.6. Каким образом обеспечивается стабильность частоты в кварцевом ав-
тогенераторе?
2.7. Приведите структурные схемы синтезаторов частот различных типоа.
3. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
3.1. Назначение и виды радиоприемных устройств
В соответствии с занимаемым в радиоканале местом радио-
приемное устройство должно обеспечивать выполнение следую-
щих основных функций:
- выделение полезного сигнала из смеси с шумом или другими
мешающими сигналами;
- усиление полезного сигнала;
- ослабление мешающего действия помех, присутствующих в спек-
тре воспринимаемых электромагнитных колебаний;
- детектирование радиочастотных сигналов с целью формирова-
ния колебаний, соответствующих передаваемому сообщению.
Помимо вышеперечисленных основных функций для многих со-
временных радиоприемных устройств характерно выполнение до-
полнительных достаточно сложных операций, например:
- частотное преобразование принимаемых радиосигналов с целью
перенесения в область частот, где обеспечиваются наилучшие
условия для их обработки;
- изменение отдельных параметров радиоприемного устройства
для достижения заданного или наилучшего качества его работы,
т.е. адаптация при изменениях электромагнитной обстановки в
месте приема, определяемой совокупностью воздействующих
помех.
Обобщенная структурная схема, отражающая основные рабочие
функции радиоприемных устройств, приведена на рис. 3.1 [3]. Схе-
ма состоит из пяти функциональных блоков.
В усилительно-преобразовательном блоке (УПБ) осуществляет-
ся выделение полезного сигнала из всей совокупности поступающих
Рис. 3.1. Функциональная схема радиоприемного устройства
78 Основы радиосвязи и телевидения
от антенны А сигналов и помех, не совпадающих по частоте с по-
лезным сигналом, и усиление последнего до уровня, необходимого
для нормальной работы последующих каскадов.
В информационном блоке (ИБ) осуществляется основная обра-
ботка принятого сигнала с целью выделения содержащейся в нем
информации (демодуляция) и ослабление мешающего воздействия
помех. При этом важнейшей задачей является выделение инфор-
мации с максимальной достоверностью - так называемый опти-
мальный прием. Для этого в составе ИБ могут использоваться оп-
тимальный фильтр, цепи последетекторной обработки, следящие
системы частотной (ЧАПЧ) и фазовой (ФАПЧ) автоматических под-
строек частоты, используемые для демодуляции сигнала, а также
для его поиска.
Гетеродинный блок (ГБ) преобразует частоту собственного или
внешнего опорного генератора и формирует сетки частот, необхо-
димые для работы преобразователей частоты в УПБ, следящих
систем и устройств обработки сигнала в ИБ. Фактически гетеродин-
ный блок представляет собой синтезатор частот.
Блок адаптации, управления и контроля (БАУК) позволяет осу-
ществлять ручное, дистанционное и автоматическое управление
режимом работы радиоприемного устройства (включение и выклю-
чение, поиск и выбор сигнала, адаптация к изменяющимся услови-
ям приема) и отражает качество его работы на специализированных
индикаторах.
В оконечном устройстве (ОУ) энергия принятого сигнала исполь-
зуется для получения требуемого выходного эффекта - акустиче-
ского (телефон, громкоговоритель), оптического (кинескоп, дис-
плей), механического (печатающее устройство).
Рассмотренная структурная схема является наиболее общей,
однако в конкретных радиоприемных устройствах отдельные связи
между блоками и даже некоторые блоки могут отсутствовать или
выполнять более ограниченный набор операций, при этом упроще-
ние структуры приемного устройства и ограничение функций от-
дельных блоков снижают полноту реализации возможностей радио-
приема.
Существуют различные системы классификации радиоприемных
устройств. По основному функциональному назначению радиопри-
емные устройства делятся на профессиональные и вещательные.
К профессиональным приемникам, предназначенным для использо-
вания в системах передачи информации, относятся связные, телеви-
зионные, телеметрические и другие радиоприемные устройства. Ве-
щательные приемники обеспечивают прием программ звукового и те-
левизионного вещания. Их массовое производство и необходимость
3. Радиоприемные устройстве
79
относительно невысокой стоимости обусловливают сравнительно
простые технические решения. Профессиональные радиоприемные
устройства отличаются большой сложностью и стоимостью, зачастую
соизмеримой со стоимостью передающего оборудования.
Радиоприемные устройства классифицируются и в зависимости
от используемого спектра радиочастот. Приемники различных диа-
пазонов волн могут существенно отличаться по структуре, схемной
и конструктивной реализациям, элементной базе. Однако сущест-
вуют радиоприемные устройства звукового и телевизионного веща-
ния, которые работают в нескольких диапазонах радиоволн, т.е. яв-
ляются «всеволновыми».
По виду принимаемых сигналов приемники делят на аналоговые
и цифровые. По характеру принимаемой информации различают
радиотелефонные, звукового вещания, факсимильные, телевизион-
ные, передачи данных и другие радиоприемные устройства. В зави-
симости от вида используемой модуляции бывают приемники ам-
плитудно-модулированных (AM), частотно-модулированных (ЧМ),
фазомодулированных (ФМ) сигналов, сигналов с одной боковой по-
лосой частот (ОБП) и различными видами импульсной модуляции.
Кроме того, различают радиоприемные устройства по месту ус-
тановки (стационарные, мобильные, бортовые, переносные), по
способу питания (питаемые от сети переменного тока, от аккумуля-
торов, солнечных батарей, с универсальным питанием), по способу
управления (с ручным, частично или полностью автоматизирован-
ным, дистанционным, комбинированным управлением).
3.2. Основные показатели радиоприемных устройств
Качественные показатели радиоприемных устройств определяются
электрическими, конструктивно-эксплуатационными и производст-
венно-экономическими характеристиками.
Одна из важнейших электрических характеристик любого радио-
приемника - чувствительность, под которой понимают способ-
ность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувст-
вительность оценивается минимальной ЭДС в антенне Едо (для
радиоприемных устройств, работающих в диапазонах умеренно вы-
соких частот) или номинальной мощностью РА0 (для радиоприемни-
ка СВЧ типа) модулированного сигнала, при которых на выходе при-
емника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Под тре-
буемым качеством обычно понимается либо получение заданного
уровня сигнала на выходе, обеспечивающего нормальное функцио-
нирование оконечного блока при определенном отношении мощно-
сти сигнала к мощности шумов (С-Ш), либо реализация одного из
80
Основы радиосвязи и телевидения
вероятностных критериев принятого сигнала. При этом чувстви-
тельность ограничена усилением, которое обеспечивается усили-
тельно-преобразовательным блоком: чем выше усиление, тем
больше уровень сигнала на выходе радиоприемного устройства
и тем легче получить нужное качество приема.
Чувствительность радиоприемников в зависимости от их назначе-
ния может колебаться в широких пределах. Например, чувствитель-
ность радиовещательных приемников находится в пределах 50...300
мкВ в зависимости от класса качества. Чувствительность радиолока-
ционных приемников имеет значения порядка 10”12... 1015 Вт.
Однако в реальных условиях эксплуатации радиоприемных уст-
ройств чаще имеют место ситуации, когда пренебречь влиянием
помех на радиоприем нельзя. Если принимаемый сигнал и помехи
соизмеримы, увеличение усиления радиоприемника не приводит,
очевидно, к росту чувствительности и, таким образом, наименьший
уровень сигнала, который может быть принят, определяется факти-
чески уровнем не самого сигнала, а помех. Воздействующие на при-
емник помехи могут быть как внешними (от других радиосистем, ин-
дустриального или природного происхождения), так и внутренними
(шумы). Причем если внешние помехи отсутствуют, на выходе ра-
диоприемного устройства всегда присутствуют внутренние помехи,
обусловленные в основном его флуктуационными шумами. В по-
следнем случае предел чувствительности приемника определяется
его внутренними шумами. Такое положение особенно характерно для
радиоприемных устройств СВЧ диапазона, в котором уровень внеш-
них помех сравнительно мал и решающее значение имеют внутрен-
ние шумы. Чувствительность, ограниченную внутренними шумами,
количественно оценивают реальной или пороговой чувствительно-
стью, коэффициентом шума или шумовой температурой.
Избирательностью (селективностью) называется способность
радиоприемного устройства выделять полезный сигнал, ослабляя
действие мешающих сигналов (помех). Основана она на использова-
нии тех или иных различий полезных и мешающих сигналов: направ-
ления прихода и времени действия, поляризации, амплитуды, часто-
ты и фазы.
Пространственная избирательность достигается с помощью
остронаправленных приемных антенн или путем электронного
управления синтезированной диаграммой направленности фазиро-
ванной антенной решетки. Поляризационная избирательность
реализуется также приемной антенной, настраиваемой на вид по-
ляризации волны полезного сигнала. Временная избирательность
(при приеме импульсных сигналов) достигается включением прием-
ника только на время действия полезного сигнала.
. 3. Радиоприемные устройстве
81
Рис. 3.2. Характеристика
односигнальной избирательности
Рис. 3.3. Характеристика односиг-
нальной избирательности, оцени-
ваемой в децибелах
Основное значение имеет частотная избирательность, по-
скольку в системах радиосвязи, звукового вещания и телевидения
сигналы обычно отличаются по частоте и их разделение осуществ-
ляется с помощью резонансных цепей и фильтров. Различают од-
носигнальную и эффективную частотную избирательность.
Односигнальная избирательность определяется амплитудно-
частотной характеристикой (АЧХ) фильтров усилительно-
преобразовательного блока приемника при действии на его входе
только одного сигнала небольшой величины (полезного или ме-
шающего), не вызывающего нелинейных эффектов. Нормированной
АЧХ УПБ называют величину
y(J) = K(f)/K0,
где K(f) - модуль коэффициента усиления (передачи) УПБ по на-
пряжению на произвольной частоте f, Ко - резонансный коэффици-
ент усиления на частоте настройки радиоприемника f0. Количест-
венно односигнальная избирательность радиоприемного устройства
оценивается величиной, обратной у( f), т.е.
Se = K0/K(J),
и определяет ослабление помехи при ее заданной расстройке Af =
= f - f0 относительно f0. Зависимость Se(Af) называется характери-
стикой односигнальной избирательности (рис. 3.2). Поскольку в совре-
менных радиоприемных устройствах пределы изменений Se(A/) весь-
ма значительны, обычно используется оценка избирательности в де-
цибелах: 8е[дБ] = 20lg[Kb/W(A0] (рис. 3.3). Наибольший интерес
представляют величины избирательности на частотах, вблизи или
на которых в УПБ могут попасть помехи.
6 - 6973
82
Основы радиосвязи и телевидения
Идеальной характеристикой избирательности является прямо-
угольная с полосой пропускания, равной ширине спектра полезного
сигнала, в пределах которой Se = 1, а за ее пределами Se -> При
такой характеристике обеспечиваются неискаженное воспроизведе-
ние спектра сигнала и бесконечно большое подавление любой вне-
полосной помехи. Для оценки степени близости реальной характе-
ристики избирательности к идеальной используется коэффициент
прямоугольное™ ЛпР = Пу/П0.7, где П0,7 - полоса пропускания УПБ на
уровне 1/л/2 ; 0,707 (3 дБ) и П.( - полоса на заданном уровне у, ко-
торый выбирается равным одному из значений: 0,1; 0,01; 0,001 и
т.д. Для идеальной характеристики кпр = 1, т.е. избирательность тем
выше, чем ближе коэффициент прямоугольное™ к единице.
В большинстве систем радиосвязи и радиовещания полезный
сигнал принимается на фоне одной или нескольких значительных
по уровню внеполосных помех, при этом даже незначительная не-
линейность УПБ приводит к таким эффектам, как перекрестная мо-
дуляция, сжатие амплитуды, блокирование, интермодуляция. Пере-
крестная модуляция проявляется в переносе модуляции помехи на
полезный сигнал. Перекрестная модуляция ухудшает отношение
сигнал-помеха или делает прием полезного сообщения вообще не-
возможным. Сжатие амплитуды радиосигнала, т.е. нарушение ли-
нейной зависимости между амплитудами сигнала на выходе и входе
УПБ, наблюдается в режиме большого полезного сигнала и обу-
словлено уменьшением средней крутизны усилительных приборов
за период под его воздействием. Блокирование полезного сигнала
возникает также вследствие уменьшения коэффициента усиления
УПБ, но уже под действием сильных мешающих сигналов с часто-
тами, отличающимися от частот основного и побочного каналов
приема.
Интермодуляция заключается в том, что при воздействии на ка-
кой либо нелинейный элемент в УПБ двух или более помех с часто-
тами £п1, /п2> £13, на выходе этого элемента возникает сложный
спектр интермодуляционных колебаний вида п?£п1 ± nfn2 ± pfn3 ± ....
где т, п, р - целые числа. Если частоты одной или нескольких со-
ставляющих этого спектра совпадают с частотой настройки радио-
приемного устройства или любого побочного канала приема, такие
составляющие усиливаются в УПБ наравне с полезным сигналом,
накладываются на него, снижают отношение С-Ш и искажают при-
нимаемое сообщение. '
ч В условиях действия сильных помех, приводящих к указанным эф-
фектам, наиболее полезную характеристику избирательных свойств
приемника дает эффективная, или многосигнальная частотная
избирательность.
3. Радиоприемные устройства
83
Помехоустойчивостью называется способность радиоприем-
ного устройства обеспечивать нормальное функционирование в
условиях воздействия помех. Существуют различные критерии
количественной оценки помехоустойчивости: вероятностный, энер-
гетический, артикуляционный. При приеме дискретных сигналов
применяется вероятностный критерий, связанный с определением
средней вероятности искажения элементарного сигнала, завися-
щей от превышения сигнала над помехой. При приеме аналоговых
сигналов для оценки помехоустойчивости удобен энергетический
критерий, предполагающий измерение отношения мощностей или
эффективных напряжений сигнала и помехи на выходе радиопри-
емного устройства при заданном отношении на выходе радиопри-
емного устройства при заданном отношении С-Ш на входе. Арти-
куляционный критерий используется для оценки помехоустойчиво-
сти приема речевых сообщений и реализуется путем количествен-
ной экспертной оценки разборчивости передаваемых тестовых
текстов.
Вышеперечисленные показатели (реальная чувствительность,
избирательность и помехоустойчивость) в значительной мере опре-
деляют характеристику электромагнитной совместимости (ЭМС),
отражающую возможность радиоприемного устройства работать как
в комплексе с радиоэлектронными устройствами данной радиосис-
темы (внутрисистемная ЭМС), так и с другими радиосистемами
(межсистемная ЭМС). Указанные показатели характеризуют вос-
приимчивость радиоприемника к мешающим электромагнитным
воздействиям через антенну и по цепям питания, управления й
коммутации.
Способность приемника в отсутствие помех воспроизводить на
выходе закон модуляции входных сигналов с заданной точностью
называют верностью воспроизведения сообщений: Количественно
верность воспроизведения оценивается искажениями выходного
сигнала - изменениями его формы по отношению к модулирующей
функции. Различают статические и динамические характеристики
искажений.
К статическим относятся характеристики линейных искажений,
нелинейных искажений и искажений, связанных с ограничением ди-
намического диапазона. Линейные искажения проявляются в раз-
личных условиях прохождения отдельных составляющих спектра
полезного сигнала через приемный тракт. Они обусловлены инер-
ционностью элементов тракта, не сопровождаются появлением
в спектре новых составляющих и не зависят от уровня входного
сигнала и глубины модуляции: Линейные искажения могут быть ам-
плитудными и фазовыми.
6*
84 Основы радиосвязи и телевидения
Нелинейные искажения обусловлены главным образом нелиней-
ностями характеристик усилительных элементов, связаны с появле-
нием в спектре модулирующего сигнала на выходе радиоприемного
устройства новых составляющих и зависят от уровня сигнала и глу-
бины модуляции. Оцениваются они коэффициентом гармоник моду-
лирующего сигнала кг = ^1x2 +t/B2blx3 + .../(JBblx1, где
^выхъ ^вых2, ^выхз - эффективные значения напряжения соответст-
вующих гармонических составляющих частоты модуляции fM. Нели-
нейные искажения возникают на участках приемного тракта с высо-
кими уровнями сигнала и при слуховом приеме, например, ухудша-
ют его качество.
Таким образом, максимальный уровень входного сигнала Евхдоп
в приемнике ограничен допустимыми нелинейными искажениями в
УПБ. Минимальный уровень EBX.min определяется уровнем собствен-
ных шумов, т.е. реальной чувствительностью приемника. Эти уров-
ни ограничивают динамический диапазон D по основному каналу
радиоприемного устройства D = 20lg(EBX.flon/EBX.min), характеризую-
щий пределы изменения уровня входных сигналов, при которых
обеспечивается допустимая потеря информации, содержащейся
в полезном сигнале. У современных приемников динамический диа-
пазон может достигать 100... 120 дБ.
К характеристикам частотной настройки радиоприемного уст-
ройства относят: диапазон рабочих частот fomin ••• femax, в преде-
лах которого приемник может плавно или дискретно перестраи-
ваться; набор рабочих частот приемника, предназначенного для
приема сигналов на фиксированных частотах. Диапазон рабочих
частот характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона
Ад = femax/<omin. Для повышения кп при сохранении заданного качест-
ва приема диапазон рабочих частот разбивают на поддиапазоны с
равными коэффициентами перекрытия или равными частотными
интервалами. К характеристикам частотной настройки относят
также погрешность настройки и ее отсчета, плотность настройки,
шаг перестройки по частоте.
К основным конструктивно-эксплуатационным характеристи-
кам радиоприемного устройства относят надежность работы, массо-
габаритные показатели, стабильность и устойчивость работы, эко-
номичность питания, ремонтоспособность и эргономические показа-
тели.
Особо следует подчеркнуть, .что перечисленные выше основ-
ные показатели и характеристики радиоприемного устройства не
просто представляют собой набор отдельных свойств, а образуют
сложную систему взаимосвязанных и взаимозависимых качеств
приемника.
3. Радиоприемные устройства
85
3.3. Структурные схемы радиоприемников
Структурные схемы радиоприемных устройств различаются пре-
жде всего построением цепей высокой частоты.
Наиболее простым является принцип построения приемника пря-
мого детектирования (детекторного), структурная схема которого
представлена на рис. 3.4. Входная цепь (ВЦ) в виде резонансной
системы или фильтра обеспечивает частотную избирательность
радиоприемного устройства, настройка на частоту принимаемого
сигнала осуществляется перестройкой или переключением ВЦ.
Принципиальным является отсутствие усиления сигнала до детек-
тора (Д), ведущее к значительному упрощению устройства приемни-
ка, но одновременно обусловливающее его низкую чувствитель-
ность и избирательность. Указанные недостатки такой схемы не
устраняются наличием усилителя частоты модуляции (УЧМ).
Вследствие этого в настоящее время радиоприемные устройства
прямого детектирования применяются практически лишь в милли-
метровом, децимиллиметровом и оптическом диапазонах волн.
Структурная схема приемника прямого усиления представлена
на рис. 3.5 [3]. От описанного выше этот приемник отличается нали-
чием усилителя радиочастоты (УРЧ) и, как следствие, значительно
большими чувствительностью и избирательностью. Входная цепь и
избирательные цепи УРЧ настроены на частоту принимаемого ра-
диосигнала, на которой и осуществляется усиление, причем ВЦ
обеспечивает предварительную, а УРЧ основную частотную изби-
рательность и значительное (до 106...107 по напряжению) усиление
сигнала.
Рис. 3.4. Структурная схема приемника прямого детектирования
Рис. 3.5. Структурная схема приемника прямого усиления
86
Основы радиосвязи и телевидения
При необходимости получения большого усиления УРЧ может
содержать несколько каскадов, что сопряжено со снижением его
устойчивости и общей избирательности приемника, затрудняет тех-
ническую реализацию перестройки по частоте. Трудности, связан-
ные с многокаскадностью УРЧ, позволяют устранить использование
регенеративных и сверхрегенеративных усилителей, обеспечиваю-
щих большее усиление на каскад. Однако такие усилители облада-
ют повышенными искажениями, относительно низкой устойчиво-
стью по отношению к дестабилизирующим факторам, повышенной
вероятностью паразитного излучения. По этой причине они применя-
ются редко, в частности, в портативных приемниках СВЧ диапазона.
При любых типах используемых УРЧ полностью преодолеть прису-
щие схеме прямого усиления недостатки не удается. Поэтому в на-
стоящее время радиоприемные устройства прямого усиления приме-
няются практически лишь в микроволновом и оптическом диапазонах.
»< Значительное улучшение большинства показателей радиоприем-
ного устройства достигается на основе принципа преобразования
частот принимаемого сигнала - переноса его в частотную область,
где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое
широкое распространение во всех радиодиапазонах получила по-
строенная на этом принципе схема супергетеродинного приемника
(рис. 3.6) [3]. В таком приемнике сигналы частоты fc преобразуются в
преобразователе частоты, состоящем из смесителя (См) и генерато-
ра вспомогательных колебаний - гетеродина (Г), в колебания фикси-
рованной, так называемой промежуточной частоты /пр, на которой
осуществляются основное усиление и частотная избирательность.
Смеситель содержит нелинейный элемент или элемент с перемен-
ным параметром, поэтому в результате воздействия принятого сиг-
нала и колебаний гетеродина с частотой fr на его выходе возникают
колебания с комбинационными частотами f = |mfr ± nfc\, где т, п- це-
лые числа. Одна из этих комбинационных составляющих выделяется
фильтром (резонансной системой) на выходе смесителя и использу-
ется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала, усили-
ваемого затем усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Обычно
используется наиболее интенсивная комбинационная составляющая
с л? = 1, л = 1, т.е. простое преобразование, но иногда и с л? * 1, л = 1
(сложное или комбинационное преобразование). При- этом можно ис-
пользовать как разность частот f, и fc (разностное преобразование),
так и их сумму (суммарное преобразование). При наиболее широко
применяемом простом разностном преобразовании обычно /ПР = fr - k
(«верхняя» настройка гетеродина), но возможна и «нижняя» настрой-
ка с /пр - 4 ~ 4 В обоих случаях ft выбирается так, чтобы /пр была ниже
границы диапазона рабочих частот (fnp < 4 min)-
3. Радиоприемные устройства
87
Рис. 3.6. Структурная схема супергетеродинного приемника
Для того чтобы /пр оставалась постоянной при перестройке при-
емника в некотором диапазоне частот (4m<n---4max), осуществляется
сопряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетероди-
на. Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, которая
в процессе преобразования должна сохраняться, преобразователь
частоты должен быть линейным по отношению к сигналу, несмотря на
принципиально нелинейный характер происходящих в нем процессов.
Следовательно, при преобразовании частоты происходит перенос
спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения
амплитудных и фазовых соотношений его составляющих.
Поскольку радиочастотные цепи обладают в большинстве слу-
чаев относительно широкой полосой пропускания, они обеспечива-
ют лишь предварительную частотную избирательность (селекцию),
вследствие чего ВЦ и УРЧ называют преселектором. Основная же
избирательность приемника реализуется в тракте промежуточной
частоты.
Чем выше частота принимаемого сигнала, тем сложнее в прин-
ципе достигнуть устойчивого малошумящего усиления в УРЧ. По-
этому в диапазонах сантиметровых и особенно миллиметровых и
оптических волн радиоприемники чаще всего не имеют УРЧ, при
этом функция предварительной избирательности ложится полно-
стью на ВЦ, а к характеристикам преобразователя частоты, в част-
ности шумовым, предъявляются повышенные требования.
Перенос сигнала на более низкую фиксированную частоту имеет
следующие преимущества:
- возможность реализации высокого устойчивого усиления за счет
ослабления роли паразитных обратных связей;
- сужения полосы пропускания без усложнения фильтрующих (ре-
зонансных) цепей;
- упрощение реализации УПЧ вследствие отсутствия необходимо-
сти перестройки.
88
Основы радиосвязи и телевидения
Однако преобразование частоты обусловливает и ряд особенно-
стей супергетеродинного приема, требующих принятия специаль-
ных мер для нейтрализации их отрицательного влияния на показа-
тели и характеристики радиоприемных устройств. К таким особен-
ностям относят:
- образование побочных каналов приема, по которым в тракт ра-
диоприемника проникают различные помехи;
- влияние нестабильности частоты гетеродина на настройку при-
емника;
- возможность излучения колебаний гетеродина через приемную
антенну.
При высоких требованиях к избирательности по побочным кана-
лам приема приходится применять двух- или трехкратное последо-
вательное преобразование частоты, понижая ее до основной про-
межуточной, на которой и достигаются обычно необходимая изби-
рательность по соседнему каналу и усиление.
Как при суммарном, так и при разностном преобразовании воз-
можно такое преобразование частоты, когда fnp > 4 max- Такой супер-
гетеродинный приемник называется инфрадином и отличается тем,
что при его работе в диапазоне частот перестраивается только ге-
теродин, а преселектор может либо не перестраиваться вообще
(широкополосные преселекторы), либо перестраиваться переклю-
чением входных фильтров (фильтровые преселекторы) [3]. Высокую
промежуточную частоту приходится затем понижать с помощью
другого преобразователя. Достоинствами инфрадина являются
возможность значительного подавления побочных каналов за счет
высокой избирательности более сложных и совершенных непере-
страиваемых ВЦ, а также упрощение настройки. Недостатки - опас-
ность перегрузки усилительных элементов широкополосных вход-
ных каскадов посторонними мешающими сигналами и повышение
требования к стабильности частоты высокочастотного гетеродина.
Применяются инфрадины в системах подвижной связи и в других
системах с беспоисковой настройкой приемника.
Рассмотрим более подробно основные особенности супергете-
родинной схемы построения радиоприемных устройств, являющей-
ся наиболее совершенной и распространенной в настоящее время.
Многие из этих особенностей обусловлены образованием ложных
сигналов, называемых соседними и побочными каналами приема,
по которым в тракт радиоприемного устройства проникают различ-
ные помехи с частотами f„. Основной канал приема образуется по-
лосой пропускания приемника, в какой находится спектр сигнала.
Соседний канал приема - это канал на частоте fCK, примыкающий к
основному каналу на частоте fc. Вследствие недостаточной избира-
3. Радиоприемные устройства
89
тельности приема он не отфильтровывается преселектором и об-
разует в преобразователе частоты сигнал с f„p = | fr- fCK | =» fnp, по-
падающий в полосу пропускания УПЧ и поэтому усиливаемый и
обрабатываемый наравне с полезным сигналом. Основная мера
борьбы с помехами по соседнему каналу - повышение избира-
тельности УПЧ.
Общую формулу для частот всех побочных каналов приема
можно в принятых ранее обозначениях записать в виде
f„=(mfr±f„p')/n, где знак «плюс» соответствует «нижней» на-
стройке гетеродина, знак «минус» - «верхней».
Зеркальный, или симметричный канал образуется внешней по-
мехой на частоте f„ = f3K = fr + fnp = fc + 2fnp (n? = 1, л = 1) при «верх-
ней» настройке или fn = f3K = fr -fnp = fc -2fnp - при «нижней». Если
эта частота попадает в полосу пропускания преселектора, то в пре-
образователе частоты появляется составляющая с частотой
|f3K -fr| = fnp > т.е. такой же, какую образует полезный сигнал. В ре-
зультате происходит наложение спектров полезного сигнала и по-
мехи, и их частотная фильтрация становится невозможной. Для ос-
лабления помех по зеркальному каналу необходимо повышать час-
тотную избирательность преселектора. Увеличение fnp позволяет
лучше отфильтровать в преселекторе эту составляющую, отстоя-
щую от частоты полезного сигнала на 2fnp, но при этом затрудняет-
ся обеспечение высокой избирательности УПЧ с полосой пропуска-
ния, сопряженной с шириной спектра полезного сигнала. Если тре-
бования к ослаблению помех по соседнему и зеркальному каналам
очень жесткие, применяются два-три последовательных преобразо-
вателя частоты.
Прямой канал приема, или канал промежуточной частоты обра-
зуется, когда помеха имеет частоту /п = fnp (т = 0, п = 1) и без преоб-
разования в преобразователе частоты проходит в тракт УПЧ. Ос-
новные меры борьбы - включение в ВЦ режекторного фильтра
(фильтра-пробки) на частоту fnp и повышение избирательности пре-
селектора.
Частоты, близкие к fnp> могут образовываться также в результате
преобразования помех на гармониках гетеродина (т = 2, 3,...; п = 1;
4 = mfr + fnp), на своих гармониках с участием гетеродина (т = 1; п =
= 2, 3, ...; fn = (fr± fnp)/п), на комбинационных частотах (л? = 2, 3, ...;
л = 2, 3, ...). Основными мерами по ослаблению этих побочных ка-
налов приема являются снижение уровня гармоник гетеродина, по-
вышение линейности преселектора, выбор соответствующего ре-
жима работы смесителя.
90
Основы радиосвязи и телевидения
Контрольные вопросы
3.1. Приведите обобщенную структурную схему радиоприемного устройства.
3.2. Как можно классифицировать радиоприемные устройства?
3.3. Дайте определение основным показателям радиоприемных устройств.
3.4. Изобразите структурные схемы различных вариантов построения ра-
диоприемных устройств.
3.5. Произведите сравнительную оценку приемника прямого усиления
и супергетеродинного приемника.
3.6. Каким образом возникает «зеркальная» помеха и как можно ее умень-
шить?
3.7. Какие меры следует принимать для повышения реальной чувстви-
тельности радиоприемника?
4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
4.1. Основные характеристики зрительного анализатора
Устройство зрительной системы человека. Оконечным уст-
ройством, воспринимающим телевизионное изображение, является
зрительная система Человека. Поэтому для рационального по-
строения телевизионных систем необходимо учитывать свойства и
характеристики зрения.
Зрительная система состоит из приемника светового излучения -
глаза, нервных волокон, преобразующих и передающих зрительную
информацию в мозг человека, и зрительных участков коры головно-
го мозга, в которых происходит расшифровка информации и фор-
мирование зрительных образов.
Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой
тело примерно шарообразной формы (глазное яблоко) (рис. 4.1),
покрытое оболочкой - склерой 1. Передняя часть склеры 2, назы-
ваемая роговицей, прозрачна и имеет несколько более выпуклую
форму. За роговицей расположена передняя камера 3, заполненная
жидкостью. Передняя камера отделена от остальной части глаза
радужной оболочкой 4, имеющей в центре отверстие - зрачок 5.
Размер зрачка изменяется в зависимости от освещенности глаза.
За зрачком находится хрусталик 6, представляющий собой прозрач-
ное тело, форма которого напоминает двояковыпуклую линзу.
С помощью мышцы, охватывающей хрусталик, кривизна последнего
может меняться, фокусируя на задней стенке глаза изображения
предметов, находящихся на расстоянии примерно от 10 см до бес-
конечности. Такое свойство зрения называется аккомодацией.
С внутренней стороны в глазное яб- локо входит зрительный нерв 7, со- стоящий из большого количества нервных волокон. Окончания нервных волокон покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой 8, которая называ- ется сетчаткой. В зависимости от формы нервные окончания подраз- деляются на палочки и колбочки. Колбочки обладают чувствительно- стью к свету и цвету, палочки - толь- ко к свету. Элементы изображения 1 2 5 Рис. 4.1. Строение человеческого глаза
92
Основы радиосвязи и телевидения
воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом
расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдель-
ному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окон-
чаниям нервных волокон группами, они, обладая большей свето-
чувствительностью, обеспечивают «сумеречное» зрение.
Центральная часть сетчатки (фовеа), называемая также желтым
пятном, с угловыми размерами 1...3° содержит фактически только
колбочки с плотностью до 1,5-105 на 1 мм2. Средний диаметр колбо-
чек примерно равен 3 мкм. Плотность расположения колбочек зна-
чительно уменьшается к краям желтого пятна, а размер их возрас-
тает. Палочки имеют максимальную концентрацию 1.7-105 на 1 мм2
на*расстоянии 10... 12° от оптической оси глаза. Плотность палочек
уменьшается как к центру глаза, так и к периферии. В целом сетчат-
ка содержит около 130 млн. палочек и 7 млн. колбочек.
В процессе зрительного наблюдения оптические оси глаз рефлек-
торно устанавливаются так, чтобы изображения подвергающихся
рассматриванию объектов проецировались на центральную часть
сетчатки, обладающую наибольшей разрешающей способностью.
Разрешающая способность зрения. Предельная способность
человека видеть мелкие детали определяется разрешающей спо-
собностью зрительной системы (остротой зрения). Для нормального
зрения основную роль играет разрешение сетчатки. Однако опре-
делить остроту зрения по характеристикам оптической системы гла-
за и структуре сетчатки в полной мере нельзя, так как глаз пред-
ставляет собой динамическую систему. Процесс зрения сопровож-
дается непроизвольными движениями глазного яблока - тремором.
Кроме того,, оптическая ось глаза обегает контуры отдельных дета-
лей изображения, как бы анализируя наиболее информативные
участки. Указанные движения глаза увеличивают остроту зрения по
сравнению со статической (расчетной).
Статическая разрешающая способность глаза определяется ми-
нимальным углом наблюдения 8min, при котором две тонкие черные
линии на белом фоне различаются с заданной вероятностью
(Р= 0,95). На рис. 4.2 толщина черных линий равна промежутку ме-
жду ними. Разрешающая способность зрительного аппарата зави-
сит от яркости и цвета фона, контрастности деталей относительно
фбна, времени наблюдения. Измерения показали, что для нормаль-
ного зрения усредненное значение 5min может быть принято равным
одной угловой минуте (5т|П =» Г)- Острота зрения 8зр оценивается
величиной, обратной разрешающей способности, т.е. 8эр=3т1п.
Острота зрения равна единице, если 5т>п = V.
Из-за неоднородности структуры сетчатки острота зрения умень-
шается по мере удаления на угол а от центра желтого пятна.
4. Физические основы телевидения
93
Рис. 4.2. К определению разрешающей способности зрения
Хотя поле зрения глаза весьма велико (порядка 120... 130°) основ-
ная зрительная информация от телевизионного изображения, по-
ступающая в глаз, на практике ограничивается пространственными
углами ясного зрения, в пределах которых среднее значение 5min
можно считать равным единице. По экспериментальным данным
фактические угловые размеры поля ясного зрения приняты равны-
ми 2ав = 12° по вертикали и 2аг = 16° по горизонтали.
Инерционность зрительного ощущения. Глаз человека обла-
дает инерционностью, которая проявляется в том, что после начала
воздействия света на зрительный анализатор ощущение нарастает
за 0,1 ...0,25 с. Чем больше яркость, тем быстрее растет зрительное
ощущение. После прекращения светового возбуждения ощущение
яркости уменьшается постепенно. Продолжительность ощущения
яркости после прекращения светового возбуждения называется
временем зрительной инерции. Инерционность зрения использует-
ся для получения слитного восприятия движения при последова-
тельной передаче неподвижных изображений. Этот принцип ис-
пользуется в телевидении. Слитность движения наступает при пе-
редаче 16...20 изображений в секунду, однако при этом глаз ощу-
щает еще мелькания яркости при смене изображений. С увеличени-
ем частоты смены изображений мелькания яркости уменьшаются,
а затем становятся незаметным^. Частота, при которой глаз пере-
стает воспринимать мелькания яркости, называется критической
частотой мельканий 4Р. Критическая частота мельканий зависит от
средней яркости изображения L и определяется следующим эмпи-
рическим выражением:
4Р « 9,6lgZ_ + 26,8 .
Для яркости современных телевизионных экранов, равной при-
мерно 100...200 кд/м2, 4Р =45...48 Гц.
Контрастная чувствительность глаза, контраст и число вос-
принимаемых градаций яркости в изображениях. Абсолютная
величина яркости изображения не может служить количественным
критерием уровня зрительного ощущения. Экспериментально уста-
новлено, что изменение интенсивности ощущения света глазом ДЕ
94
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 4.3. Зависимость порогового контраста от яркости фона
при поле зрения 4°
связано не с абсолютным изменением яркости объекта AL = Lmax -
- Lfntn, а с отношением величины AL к первоначальной яркости (или
яркости фона) Lmin и может быть представлено выражением
ЬЕ=к —, (4.
wnin
где к- коэффициент пропорциональности.
В широких пределах изменения яркости LminAE минимально и по-
стоянно, вследствие чего можно считать, что отношение
— = ст = const
iin Jnop
называется пороговым контрастом, a AL = Lmin - абсолютным поро-
гом световой чувствительности.
В пределах средних величин яркости (10... 1000 кд/м2) глаз ощу-
щает относительные приращения яркости, равные примерно 2...5%.
"Зависимость порогового контраста от яркости фона при поле зрения
около 4° изображена на рис. 4.3 [4].
Интегрирование уравнения (4.1) приводит к установлению обще-
го закона зависимости интенсивности ощущений Е от интенсивности
соответствующих им яркостей L в виде
Е = к \nL +с,
где ки с - некоторые постоянные величины.
Данный закон, гласящий, что интенсивность ощущений растет
пропорционально логарифму раздражения (яркостям), известен как
основной психофизический закон, или закон Вебера-Фехнера.
На основании анализа выражения (4.2) можно фактически счи-
тать, что физиологическое ощущение возрастет в арифметической
(4.2)
4. Физические основы телевидения
95
прогрессии, если раздражение увеличивается в геометрической про-
грессии.
С законом Вебера-Фехнера непосредственно связаны такие по-
казатели изображений, как контраст и число воспроизводимых гра-
даций яркости (полутонов).
Под контрастом (контрастностью) изображения К понимается от-
ношение максимальной его яркости к минимальной, т.е. диапазон
воспроизводимых яркостей
*-mln
В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в
105 и более раз. Зрительная система человека неспособна одно-
временно воспринять весь этот диапазон изменения яркости и су-
жает диапазон освещенностей на сетчатке благодаря адаптации -
приспособлению к различным яркостям. Поэтому на практике в вос-
производимых изображениях контрастность в лучшем случае со-
ставляет всего несколько сотен раз. Например, диапазон воспроиз-
водимых яркостей большинства рисунков и фотографий не превы-
шает 100, но они воспринимаются как изображения очень хорошего
качества. Поэтому телевизионное изображение, имеющее контра-
стность более 40, уже считается хорошим. На рис. 4.4 изображена
субъективная зависимость оценки качества телевизионного изо-
бражения в зависимости от крнтрастности [5].
При заданном контрасте К глазом воспринимается определенное
количество ступеней изменения яркости т, называемых градациями
яркости. Из рассмотрения особенностей восприятия изображений
следует, что 4
Рис. 4.4. Субъективная зависимость оценки качества телевизионного
изображения в зависимости от контрастности
96
Основы радиосвязи и телевидения
Полагая, что максимальный контраст изображения, ограничи-
ваемый глазом, Lmax/imin = 100, а о = 0,05, получаем, что возмож-
ное число градаций, которое глаз будет различать при данных ус-
ловиях, будет равным т 92.
Спектральная чувствительность зрения. Электромагнитные
колебания, занимающие полосу в диапазоне длин волн примерно от
380 до 770 нм, человеческим глазом ощущаются как свет. Волны
этого диапазона обычно называют световыми, или видимым излу-
чением.
Воздействие на глаз отдельных частот видимого спектра излуче-
ния соответствует ощущению определенного цвета. Примерное со-
отношение между некоторыми длинами световых волн и создавае-
мыми ими ощущениями цвета приведено в табл. 4.1.
Кроме перечисленных цветов различают еще пурпурный. Он не
является монохроматическим, а образован сочетанием красного и
синего световых потоков. В зависимости от соотношения долей
красного и синего в этой области выделяются следующие оттенки:
вишневый, собственно пурпурный и сиреневый.
Чувствительность глаза не только ограничена определенной
областью спектра электромагнитных колебаний, но и неравномер-
на в этой области, т.е. глаз воспринимает свет различных длин
волн одинаковой энергии неодинаково. Например, два поля, зеле-
ное и синее, излучающие одинаковую энергию, воспринимаются
как имеющие различную яркость (зеленое ярче). Наибольшая чув-
ствительность глаза лежит в области желто-зеленых цветов (X =
=* 550 нм).
Распределение чувствительности глаза сходно с распределе-
нием энергии в солнечном свете, отраженном естественной живой
средой на Земле - зеленью. Это подтверждает приспособление
глаза к лучшему восприятию окружающей среды. Кривая, изобра-
жающая чувствительность глаза к лучам разной длины волны ви-
димого спектра, называется кривой спектральной видности или
чувствительности.
Таблица 4.1. Соотношение между воспринимаемыми цветами
и длинами волн воздействующих электромагнитных
колебаний
Длина волны, нм Цвет Длина волны, нм Цвет
687 Красный 527 Зеленый
589 Оранжевый 430 Синий
580 Желтый 397 Фиолетовый
4. Физические основы телевидения
97
Рис. 4.5. Стандартная кривая относительной спектральной видности глаза
Спектральная чувствительность глаза у разных людей несколько
различна, а также зависит от условий наблюдения. Поэтому на ос-
новании исследования большого числа лиц Международной комис-
сией по освещению (МКО) была принята стандартная кривая отно-
сительной спектральной видности К,, изображенная на рис. 4.5, для
равноэнергетического спектра. Суммарное воздействие на глаз все-
го видимого спектра, имеющего распределение энергии по спектру
такое же, как и в солнечном свете, ощущается как белый цвет. Лю-
бое другое распределение энергии в спектре света ощущается как
цвет. Поэтому восприятие цвета и яркости деталей наблюдаемого
объекта (изображения) зависит не только от характера самого объ-
екта, но также и от спектрального состава света, освещающего объ-
ект, и распределения в нем энергии.
Спектральный состав и распределение энергии теплового источ-
ника света зависит от температуры излучающего тела. В связи с
этим вместо того, чтобы каждый раз указывать спектральный и
энергетический составы света, указывают только температуру, при
которой обеспечивается данное излучение. Эта температура назы-
вается «цветовой температурой».
В 1931 г. МКО ввела в практику четыре стандартных источника
белого цвета, названных источниками А, В, С, Е, которым соответ-
ствуют цветовые температуры следующих значений: 2854, 4800,
6500 и 5700 К. Например, источник белого цвета типа С (европей-
ское обозначение Desoo) обеспечивает излучение, близкое к спектру
солнечного света.
7 -6973
98 Основы радиосвязи и телевидение
4.2. Особенности восприятия цвета
4.2.1. Колориметрическое определение цвета
Основой теории цветового зрения является установленный экс-
периментально факт, что все цвета могут быть получены путем
сложения (смешения) трех световых потоков - красного (R), зелено-
го (G) и синего (В) цветов. Объяснение общих принципов цветового
зрения было впервые дано великим русским ученым М.В. Ломоно-
совым, сформулировавшим в 1756 г. трехкомпонентную (трехрецеп-
торную) теорию восприятия глазом цвета. Ломоносов пришел к вы-
воду, что наш глаз имеет три вида рецепторов (колбочек), воспри-
нимающих цвет. Один из них воспринимает красную часть спектра,
другой - желтую, третий - синюю. Эти цвета называются основными
(первичными). При равном возбуждении рецепторов создается
ощущение белого цвета. Характер цветового ощущения зависит от
отношения возбуждений трех цветов.
В дальнейшем теория Ломоносова была повторена в Англии в
1802 г. Юнгом и более детально доработана в Германии в 1852 г.
Гельмгольцем. Кениг и Дитеричи в 1892 г. экспериментально опреде-
лили кривые спектральной чувствительности разновидностей колбо-
чек (кривые основных возбуждений). Более детальные исследования
вопросов спектральной чувствительности глаза были проведены
в 1935 г. Н.Т. Федоровой и В.И. Федоровым (рис. 4.6). Масштабы
представленных на рис. 4.6 кривых спектральной чувствительности
выбраны такими, чтобы для белого цвета площади, ограниченные
кривыми, были бы равны, так как ощущение белого цвета возникает
при одинаковом возбуждении всех трех разновидностей колбочек.
Таким образом, анализ воздействующего на глаз излучения тре-
мя типами колбочек с различной спектральной чувствительностью и
последующий синтез результатов их возбуждений зрительными
участками коры головного мозга вызывает ощущение большого
числа цветовых оттенков окружающих нас предметов.
В телевидении используется локальное, пространственное и би-
нокулярное смешения цветов. Локальное смешение может быть од-
новременным (оптическим), когда на одну поверхность проецируют-
ся два или несколько излучений, вызывающих каждый в отдельно-
сти ощущение разных цветов, и последовательным, когда анало-
гичные излучения воздействуют на глаз последовательно одно за
другим. При быстрой смене излучений в зрительном аппарате воз-
никает ощущение единого результирующего цвета. При пространст-
венном смешении участки, окрашиваемые смешиваемыми цветами,
имеют достаточно малые размеры и глаз воспринимает их как еди-
ное целое. Примером могут служить мелкие штрихи, мозаика и др.
4; Физические основы телевидения
99
Рис. 4.6. Кривые спектральной чувствительности
различных групп колбочек
Воспроизведение цветного изображения на телевизионном экране,
а также на компьютерном мониторе в большинстве случаев основа-
но на пространственном смешении цветов.
Из основного закона смешения следует, что любые четыре цвета
находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет мо-
жет быть выражен через любые три взаимно независимых цвета;
f'F = r'R + g'G+b'B, (4.4)
где f'F - излучение произвольного состава, единица которого обо-
значена через F, а количество единиц - черезГ; Я, G, В - единич-
ные количества основных цветов; r',g',b'- множители, указываю-
щие количества излучений, соответствующих цветам Я, G, В, - или
«модули этих цветов».
Основными называются взаимно независимые цвета, которые
нельзя получить смешением двух других, т.е. они не могут быть
связаны уравнениями типа:
г'Я = g'G + b'B\ g'G = r'R + b'S; b’B = r'R + g'G .
Примером взаимно независимых являются Я, G, В цвета.
Экспериментальную проверку законов смешения цветов удобно
производить путем установления тождества цветов полей сравне-
ния с помощью устройства, состоящего из гипсовой призмы, на одну
из граней которой проецируется излучение исследуемого источника,
а на другую грань - излучение от трех источников: красного Я, зеле-
ного G и синего В. Зрительная труба, при помощи которой ведутся
наблюдения, направлена на ребро призмы, разделяющее освещен-
ные грани. Следовательно, поле зрения трубы разделено на два
поля сравнения: одно - освещаемое исследуемым цветом, другое -
освещаемое смесью трех источников. Между каждым из трех источ-
7*
100
Основы радиосвязи и телевидения
ников R, G, В и призмой стоит устройство, ослабляющее полное из»
лучение данного источника в определенное число раз. Меняя ин-
тенсивность потоков излучения, подаваемого на грань призмы от
того или иного источника, колориметрист добивается уравнивания
цвета, т.е. цветности и яркости полей сравнения.
Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов
нельзя получить цветового равенства (4.4) ни при каких значениях
основных цветов R, G, В. Согласование для этих цветов наступает
лишь тогда, когда один из основных цветов переносится на сторону
исследуемого цвета.
В случае переноса в сторону исследуемого цвета, например крас-
ной составляющей, цветовое уравнение принимает следующий вид:
f'F + r'R = g'G + b'B,
или
f'F = -r'R + g'G + b'B.
Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью урав-
нения (4.4) коэффициенты г', д', Ь' могут иметь отрицательные зна-
чения. Это позволяет расширить применимость форм цветового
уравнения (4.4), показывающего, что в общем случае цвет опреде-
ляется тремя независимыми переменными г', д', Ь', что подтвер-
ждает его трехмерность.
Знание численных значений цветовых коэффициентов г', д', Ь'
полностью определит воздействующее на глаз излучение и коли-
чественно, и качественно. Для определения только качественной
характеристики светового потока цветности F достаточно знать
не абсолютные, а относительные количества основных цветов г,
д, Ь, определяемые из выражений [4]
г' г'
г =---------= —
r'+g'+b' т ’
д’ д'
д —---------=--- I
r'+g' + b' т
. Ь' Ь'
Ь= —----7-Т7 = —-
r'+g'+b т
где т -r' + g' + b' - цветовой модуль.
Очевидно, что г + д + b = 1. Символы г, д, b носят название коор-
динат цветности.
Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь
при единой колориметрической системе, оперирующей вполне оп-
ределенными основными цветами. Поэтому в целях устранения
неопределенности измерения цвета МКО в 1931 г. стандартизовала
Физические основы телевидения
101
в качестве основных цветов три монохроматических излучения с
длинами волн Хя = 700,1 нм, XG = 546,1 нм и Хе = 435.,8 нм. Выбран-
ные основные цвета удобны тем, что два из них Я и В близки к кра-
ям видимого спектра, а третий G - к его середине, поэтому каждый
из них действует преимущественно на свою группу рецепторов.
Координаты цвета г', д', Ь' любого сложного излучения могут
быть определены, если известен спектральный состав этого излу-
чения Р(Х):
r'= J P(X)r(X)dX;
Л-1
д'= jp(X)g<X)dX; •
Xi
b' = f P(X)F(X)dX,
Xi
(4.5)
где Хъ X2 - границы светового диапазона электромагнитных колебаний.
Величиныг (X), д(Х), b (X), получившие название удельных ко-
ординат цвета, непосредственно характеризуют особенности воспри-
ятия цвета средним наблюдателем. Они были стандартизованы МКО
в 1931 г. на основе экспериментальных исследований монохромати-
ческого излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин
волн. В результате были получены, удельные координаты или удель-
ные цветовые коэффициенты. Графические зависимости удельных
координат цвета или кривые смешения изображены на рис. 4.7.
Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают,
что в цветовом уравнении (4.4) величины г', д’, Ь' для частных
спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это показы-
вает невозможность получения чистых спектральных цветов смеше-
Рис. 4.7. Удельные координаты цвета в системе RGB
102
Основы радиосвязи и телевидения
нием основных реальных цветов RGB. Отрицательные координаты
затрудняют расчеты цвета излучения по его спектральному составу.
Вторым недостатком системы RGB является необходимость расче-
та всех трех компонентов цвета при определении его яркости. По-
этому в 1931 г. МКО была принята более удобная колориметриче-
ская система нереальных цветов XYZ.
4.2.2. Цветовая система XYZ
В основу построения системы XYZ были положены следующие
условия.
1. Удельные координаты - кривые смешения не должны иметь
отрицательных ординат, т.е. все реальные цвета определяются по-
ложительными значениями модулей основных цветов выбранной ко-
ординатной системы.
2. Количественная характеристика цвета - яркость - должна пол-
ностью определяться одним его компонентом.
3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е
должны быть равными.
Для обеспечения данных требований в качестве основных цве-
тов были выбраны три теоретических (реально не воспроизводи-
мых) цвета XYZ. Координатная система XYZ выбрана так, чтобы
векторы основных цветов находились в цветовом пространстве вне
тела реальных цветов. Оси X, У, Z являются ортогональной декар-
товой системой координат осей в цветовом пространстве - координа-
та Y полностью определяется яркостью цвета, а два других основных
цвета Хи Z лежат в плоскости нулевой яркости.
Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:
fF = yX + /Y + ZZ
и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами
/, Z или вектором, проведенным в эту точку из начала координат.
Модули основных цветов /, Z определяются выражениями, ана-
логичными (4.5):
^2
х,= /т)х(хж
/ = У₽(Х)у(Х)^. 2
S
Аг
Z = / P(X)z(X)c/A.
, Xi
4. Физические основы телевидения
103
Графики удельных координат (кривые смешения) в системе XYZ
показаны на рис. 4.8.
Координаты цветности чистыхюпектральных цветов х, у, z в сис-
теме XYZ вычислены и стандартизованы МКО. Например х = х'/М;
у = у'/М\ г = 2/М, где М’ = х' + / + z' - модуль цвета. Значения
координат цветности х, у, z для монохроматических излучений изо-
бражены графически на рис. 4.9.
В системе XYZ одна из координат цветности является зависимой
от двух других, так как х+ у+ z= 1. Поэтому для определения цвет-
ности достаточно двух координат, например х и у.
Для практических расчетов в системе XYZ рекомендуется ис-
пользовать известную диаграмму цветности МКО, полученную про-
екцией диаграммы цветности единичной плоскости на плоскость ху
в направлении оси z (рис. 4.10).
Анализируя цветовой график МКО, необходимо отметить сле-
дующее.
1. Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри
спектрального локуса (геометрического места координат цветно-
104
Основы радиосвязи и телевидение
сти чистых спектральных цветов) и определяются положительны-
ми значениями хи у.
2. Равноэнергетический белый цвет Е, имеющий чисто теоретиче-
ский, расчетный характер, находится в центре тяжести треуголь-
ника хоу. Его координатами цветности будут х = 1/3 и у = 1/3.
3. Цветность смеси двух цветов отображается точкой, лежащей на
прямой, соединяющей смешиваемые цвета.
4. Цветность смеси трех цветов отображается точкой внутри тре-
угольника, вершины которого образованы смешиваемыми цветами.
Цветность сложного излучения помимо координат цветности мо-
жет быть охарактеризована цветовым тоном и насыщенностью.
Цветовой тон любого цвета на диаграмме цветности МКО опреде-
ляется длиной волны монохроматического излучения (доминирую-
щей длиной волны Xd), соответствующей пересечению кривой спек-
тральных цветов - спектрального локуса с прямой, проходящей че-
рез точку Е и точку, отображающую цветность искомого цвета, на-
пример точку М (см. рис. 4.10). Насыщенность численно характери-
зуется чистотой цвета Рцв, т.е. относительным содержанием в нем
спектрального цвета (монохроматического светового потока FJ:
Pub=100Fx/(Fx + F6),%,
где F6 - световой поток белого цвета, входящего в смесь со спек-
тральным цветом.
Рис. 4.10. Диаграмма цветности МКО
4. Физические основы телевидения
105
Насыщенность максимальна (Рцв = 100%) для чистых спектраль-
ных и пурпурных цветов и минимальна (Рцв = 0) для белого цвета.
4.3. Параметры воспроизводимых телевизионных
изображений
Согласование параметров воспроизводимых телевизион-
ных изображений с характеристиками зрения. При общей оценке
качества телевизионных изображений применимы понятия физиче-
ски, физиологически и психологически точного воспроизведения.
При физически точном воспроизведении яркость и цвет каждой
точки рассматриваемого объекта должны быть одинаковыми анало-
гичным параметрам соответствующих точек телевизионного изобра-
жения. .
При физиологически точном воспроизведении зрительный аппа-
рат человека практически не замечает разницы между наблюдае-
мым объектом и телевизионным изображением, хотя яркость и цвет
одноименных элементов могут быть неодинаковыми.
При психологически точном воспроизведении яркость и цвет од-
ноименных элементов объекта и соответствующего телеви-
зионного изображения могут значительно различаться. Однако по
общему восприятию изображения в сознании человека создается
вполне определенное суждение о наблюдаемом объекте.
Потребностям среднестатистического наблюдателя отвечает
физиологически точное воспроизведение, которое обеспечивает
экономическую и техническую возможности реализации телевизи-
онной аппаратуры массового применения.
К основным параметрам телевизионных изображений относятся:
формат и размеры, номинальное число строк разложения, число
воспроизводимых кадров в секунду, яркость и контраст изображе-
ния. Оценим номинальные значения основных параметров телеви-
зионных изображений.
Формат и размеры телевизионного изображения. Вещатель-
ные телевизионные системы предусматривают наблюдение изо-
бражений в пределах угловых размеров поля ясного зрения. Исходя
из этого условия выбирается формат кадра кф, т.е. отношение ши-
рины изображения b к его высоте h (кф = b/h). Первоначально в те-
левидении был принят формат изображения кф = 4:3 = 1,33. Из гео-
метрических соотношений оптимальное расстояние рассматрива-
ния А в этом случае устанавливается следующим образом:
А - 0,5h/tgaB, фактически А » 5Л.
106
Основы радиосвязи и телевидения
Таким образом, на практике непосредственные размеры уст-
ройств воспроизведения телевизионных изображений определяют-
ся условиями наблюдения.
Последующие психофизиологические исследования показали,
что телезрители предпочитают формат телевизионного кадра с со-
отношением сторон 16:9. Причем, при достаточно больших разме-
рах телевизионного экрана воспроизводимое изображение стано-
вится более реальным. Главная причина этого заключается в уве-
личении угла зрения в горизонтальном направлении, что ведет к
росту объема воспринимаемой информации. При этом в восприятии
участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают
заметность границ изображений, повышают впечатление объемно-
сти и относительного пространственного расположения рассматри-
ваемых объектов. Таким образом, возникает эффект «присутствия»
зрителя, заключающийся в сопричастности телезрителя показы-
ваемым на экране событиям, в возрастании эмоционального и смы-
слового воздействия телевизионных изображений на зрителя.
Поэтому в разрабатываемых перспективных системах телевиде-
ния наблюдается тенденция к увеличению угловых размеров теле-
визионных изображений при условии, что рассматривание изобра-
жения будет осуществляться с расстояния, не превышающего 3h.
В этом случае будут обеспечены условия максимальной комфорт-
ности при наблюдении телевизионных изображений.
Рассматривать телевизионные изображения с более близкого
расстояния (Д < 2,5/?) не рекомендуется. Это объясняется тем, что
при малых расстояниях наблюдения зритель не может охватить
взглядом весь экран и не успевает прослеживать быстрые движе-
ния (со скоростью 20...30 град/с) объектов в телевизионном кадре.
Восприятие телевизионных изображений в таких условиях может
привести к сильному утомлению глаз.
Определение необходимого числа воспроизводимых строк.
Число строк разложения z является важнейшим параметром теле-
визионных изображений, так как оно характеризует степень воспро-
изведения мелких деталей в вертикальном направлении растра, т.е.
четкость по вертикали. При оценке требуемого числа строк обычно
исходят из условия слияния строчной структуры телевизионного
изображения на заданном расстоянии рассматривания (рис. 4.11).
Практически значение z находится из следующего выражения:
z = 2aB/5min.
При 2ае = 12°, Jmin «Т, z== 720 строк. В приведенном расчете
взята номинальная разрешающая способность глаза, равная Г.
Опытным путем было установлено, что разложение телевизионного
< Физические основы телевидения
107
Рис. 4.11. Схема определения числа воспроизводимых строк
изображения примерно на 600 строк является достаточным, обес-
печивая вполне хорошее качество (субъективная четкость достигает
95% от максимального значения). На практике номинально? число
строк разложения в телевизионных системах было взято равным
625 при условии, что А » 5h.
Если А » (2,5...3)/i, то число строк в одном кадре должно быть
равным 1200... 1250. По этой причине разрабатываемые перспек-
тивные системы воспроизведения изображений получили название
«телевидение высокой четкости», т.е. ТВЧ.
Частота кадров воспроизводимых изображений. Наблюдение
телевизионного изображения не должно сопровождаться мелька-
ниями яркости при смене кадров. Номинальная частота смены кад-
ров в телевидении выбрана равной 25 Гц, что значительно ниже 4Р.
Поэтому в телевизионном вещании применяется так называемая
чересстрочная развертка, при которой кадр состоит из двух после-
довательно передаваемых полей. Номинальная частота полей рав-
на 50 Гц. Время смены полей (0,02 с) полностью согласуется с
инерционностью зрительного ощущения (0,1...0,25 с), следствием
чего является незаметность мельканий при наблюдении телевизи-
онного изображения.
Яркость и контраст телевизионного изображения. Яркостны-
ми параметрами телевизионного изображения являются его сред-
няя яркость U.cp, максимальная яркость LM3.max, контраст и число по-
лутонов - различимых градаций яркости тиз. Средняя яркость, соот-
ветствующая наилучшему восприятию, зависит от условий наблюде-
ния, свойств зрения и от содержания изображений. Многолетней
практикой установлено, что средняя яркость £из.ср = 30 кд/м2 вполне
достаточна для наблюдения изображения и рассматривания его дета-
лей без особого утомления зрения. При этом яркость в белых местах
изображения может достигать LM3.max = 100.. .300 кд/м2.
При восприятии телевизионных изображений динамический диа-
пазон изменения яркости - контраст Киз и число воспроизводимых
градаций тиз ограничиваются:
108
Основы радиосвязи и телевидения
- параметрами воспроизводящих устройств;
- условиями наблюдения телевизионных изображений: расстояни-
ем рассматривания, паразитными засветками телевизионных
воспроизводящих устройств.
Например, паразитная засветка Z_nap снижает воспринимаемый
контраст К по сравнению с номинальной контрастностью Кт, обу-
словленной диапазоном воспроизводимых яркостей в телевизион-
ном изображении.
isr ^-max + ^-nap w 1 + ^-nap/^max iz' ix
Л = ---------= Лиз -— ---— , Т.е. Л < Лиз .
4nin + i-nap * + ‘-nap/‘-min
Перечисленные причины приводят к тому, что в телевизионном
изображении уменьшается число воспринимаемых градаций ярко-
сти относительно расчетного значения.
Число различимых градаций яркости т„3 влияет на зрительное
подобие воспринимаемого телевизионного изображения с непо-
средственным наблюдением объекта. Абсолютные значения града-
ций яркости в данном случае не могут быть равными, так как не
равны воспринимаемые контрастности. Поэтому имеет важное
значение, как распределяются воспринимаемые в телевизионном
изображении градации яркости относительно яркостных градаций
наблюдаемого объекта. При пропорциональном воспроизведении
градации яркости телевизионного изображения распределяются
равномерно по шкале полутонов рассматриваемого объекта. На-
пример, две градации яркости объекта воспроизводятся одной
градацией в телевизионном изображении.
При пропорциональном воспроизведении полутонов
тиз = утоб , (4.6)
где тиз и /Поб - соответственно числа градаций яркости телевизион-
ного изображения и наблюдаемого объекта; у - коэффициент про-
порциональности, равный числу градаций яркости изображения,
воспроизводящих одну градацию яркости объекта (в данном случае
у<1).
Подставив выражение (4.3) в соотношение (4.6), имеем
ig/^из= у'д^об 1 т.е. Км3 = ,
где Киз и Ко6 - соответственно значения контраста телевизионного
изображения и наблюдаемого объекта.
Таким образом, пропорциональной зависимости градаций ярко-
сти соответствует степенная зависимость контрастов, а коэффици-
ент пропорциональности равен показателю степени у.
4, Физические основы телевидения
109
Обычно градации яркости воспроизводимого телевизионного
изображения непропорционально распределяются по градациям
рассматриваемого объекта (шкале полутонов). Например, в темных
местах несколько градаций яркости объекта воспроизводятся одной
градацией яркости изображения, а одна градация яркости в светлых
местах воспроизводится интервалом яркости, равным нескольким
градациям. В этом случае полутона в темных местах объекта на
воспроизводимом телевизионном изображении будут одинаковой
яркости (сольются), а в светлых местах будут иметь повышенную
контрастность.
В телевидении задача пропорционального воспроизведения по-
лутонов решается использованием специальных электронных кор-
ректоров, имеющих необходимую амплитудную характеристику. По-
добные устройства получили название гамма-корректоров.
Практикой телевидения установлено, что наилучшее качество
изображения в большинстве случаев наблюдается, когда значение
результирующего коэффициента урез всей телевизионной системы,
определяющего форму амплитудной характеристики, больше еди-
ницы, т.е. Урез = 1,2... 1,3. Этот случай наиболее приемлем не только
для черно-белых, но и для цветных телевизионных систем, несмот-
ря на некоторые искажения цветности объектов, так как сюжетно
важные детали, как правило, находятся в области большей осве-
щенности.
Контрольные вопросы
4.1. Поясните принципы работы зрительной системы человека.
4.2. Перечислите основные характеристики зрительного анализатора.
4.3. Назовите основные положения теории цветового зрения.
4.4. Объясните принципы построения цветоаой системы XYZ.
4.5. Каким образом осуществляется выбор формата и размеров телевизи-
онного изображения? - - . . '
4.6. Из каких условий определяется число строк разложения телевизионно-
го изображения?
4.7. Чему равняется частота смены кадров в телевизионной системе?
4.8. Дайте количественную оценку яркости и контраста телевизионных изо-
бражений.
4.9. Почему в телевизионной системе обеспечивают пропорциональность
между воспроизведением полутонов и распределением яркостей в на-
блюдаемых объектах?
4.10. Как называются электронные устройства, корректирующие амплитуд-
ную характеристику телевизионной системы?
5. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
5.1. Особенности телевизионной развертки
Передача изображений наблюдаемых объектов в телевидении
осуществляется электрическим способом, т.е. оптическое изобра-
жение объекта преобразуется в электрический сигнал, передавае-
мый по каналу связи, который затем в месте приема преобразуется
в телевизионное изображение.
Для телевизионной системы, когда изображение непосредственно
воспринимается наблюдателем, степень точности воспроизведения
изображения рассматриваемого объекта ограничивается физиологи-
ческими характеристиками зрения: в первую очередь, разрешающей
способностью глаза, его контрастной чувствительностью и инерцион-
ностью зрительного восприятия. Поэтому при телевизионной переда-
че изображение объекта условно разбивается примерно на 500 000
элементарнь|Х площадок, называемых элементами изображения. Те-
левизионная система должна передавать информацию о яркости ка-
ждого элемента. При одновременной передаче сигналов яркости всех
элементов в телевидении потребовалось бы число каналов, равное
числу элементов изображения, что практически невозможно. Поэтому
в телевидении используется последовательная передача сигналов
яркости элементов изображения, называемая разверткой. В общем
случае процесс развертки заключается в периодическом движении
развертывающих элементов по передаваемому и воспроизводимому
изображениям. Например, в случае использования в телевизионной
системе вакуумных (электронно-лучевых) передающей и приемной
трубок, например, видикона и кинескопа, развертка осуществляется
с помощью электронного луча, перемещаемого в пределах анализи-
руемого или воспроизводимого изображений.
Однако в современных телевизионных системах, как на пере-
дающем конце, так и непосредственно в приемниках, все чаще при-
меняются твердотельные матричные устройства. Например, в пе-
редающих камерах используются матрицы на основе приборов с
зарядовой связью (ПЗС), а в воспроизводящих устройствах - жид-
кокристаллические панели и плазменные экраны. В этом случае те-
левизионная развертка обеспечивается формированием специаль-
ных напряжений, управляющих работой соответствующих матриц.
5. Основные принципы функционирования телевизионных систем
111
Рис. 5.1. Схема образования растра при прогрессивной
развертке изображения
Для детального изучения особенностей телевизионной развертки
рассмотрим более подробно процесс разложения и сйнтеза изобра-
жений в телевизионных системах с электронно-лучевыми трубками.
Способ перемещения электронных лучей по плоскости изобра-
жений может быть любым. Однако для геометрически правильного
воспроизведения изображения закон движения электронных лучей
при передаче и приеме изображений должен быть строго одинако-
вым, т.е. необходимо соблюдать синхронность и синфазность раз-
верток.
В телевидении принята линейно-строчная развертка, при кото-
рой по всей площади изображения движение развертывающего
элемента осуществляется одновременно по двум взаимно перпен-
дикулярным направлениям: по горизонтали - вдоль оси х и по вер-
тикали - по оси у (рис. 5.1). За счет движения электронного луча по
горизонтали прочерчиваются параллельные прямые линии, назы-
ваемые строками. Движение от начала к концу строки образует
прямой ход строчной развертки, а возвращение развертывающего
элемента от конца предыдущей строки к началу следующей назы-
вается обратным ходом, который необходим для подготовки к раз-
вертке следующей строки. В результате перемещения по вертика-
ли, создаваемого кадровой (вертикальной) разверткой, все строки
располагаются одна под другой и образуют геометрическую фигуру,
называемую растром. Если все строки растра прочерчиваются по-
следовательно одна под другой, то такая развертка называется по-
строчной или прогрессивной. При построчной развертке за один пе-
риод кадровой развертки происходит передача неподвижного изо-
бражения, называемого кадром.
Закон движения развертывающего элемента вдоль оси х как
функция времени х = f(t) изображается в виде кривой пилообразной
112
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 5.2. Временные графики движения развертывающих
элементов при. прогрессивной развертке
а - для строчной развертки; б - для кадровой развертки
формы (рис. 5.2, а). Чтобы строки растра были параллельными и
располагались одна под другой, характер движения по вертикали
также делается линейным. При этом строки растра оказываются
несколько наклоненными по отношению к горизонтальной границе
телевизионного изображения, что при большом числе строк разло-
жения практически незаметно. Закон движения развертывающего
элемента по вертикали как функция времени у = f(t) аналогичен за-
кону движения по горизонтали и также является пилообразным (рис.
5.2, б). Аналогично строчной, кадровая развертка имеет прямой и
обратный ходы.
При применении чересстрочной развертки чередование строк
первого и второго полей достигается выбором нечетного числа строк
в кадре, благодаря чему второе поле начинается с половины строки и
все строки второго поля оказываются соответственно сдвинутыми по
вертикали относительно строк первого поля (рис. 5.3).
С математической точки зрения условия формирования чересст-
рочной развертки обеспечиваются следующими соотношениями:
z = 2m + 1, 2fz =(2m+1)fn,
где т - целое число; fz = zfK - частота строчной развертки; 4 -
частота смены кадров; f„ - номинальная частота полей. В этом слу-
5. Основные принципы функционирования телевизионных систем
113
Рис. 5.3. Структура телевизионного кадра при чересстрочной развертке
чае будет обеспечена жесткая связь частот развертки по строкам и
по кадрам.
Чересстрочная развертка, кратность которой равна 2:1, приме-
няется во всех системах вещательного телевидения для сокраще-
ния полосы частот, занимаемой телевизионным сигналом, в два
раза.
Для отечественного вещательного телевизионного стандарта час-
тота строчной развертки fz имеет следующее численное значение:
4= 625 х 25 Гц = 15 625 Гц.
При этом период строчной развертки Tz равен
Tz= Mfz- 1/15 625 = 64 х 10-6 мкс.
Причем Tz = Tzi + Т&, где Т#, Т& - длительности соответственно
прямого и обратного ходов строчной развертки. Во время обратного
хода строчной развертки видеосигнал не передается и изображение
не воспроизводится, поэтому это время желательно делать короче.
Практически длительность обратного хода составляет 12 мкс. Пе-
риод кадровой (вертикальной) развертки равен
Т„ = 1//п = тп1" + Гп2 = 1/50 = 2 х 10-3 с = 20 мс,
где Гп1, Тп2 - длительности соответственно прямого и обратного хо-
дов кадровой развертки. Время обратного хода кадровой развертки
охватывает 25 периодов строк, которые не участвуют в образовании
телевизионного растра, т.е. = 25Tz= 64 х 10-6 х 25 = 1,6 мс. Если
учесть, что в телевидении используется чересстрочная развертка,
то в течение периода каждого кадра осуществляются два обратных
хода по вертикали. Поэтому из номинального числа строк в одном
кадре (z = 625) 50 строк не воспроизводятся на изображении, так как
они приходятся на интервалы обратных ходов по вертикали.
Практика наблюдения телевизионных изображений показала, что
разрешение мелких деталей по вертикали из-за дискретности растра
8 - 6973
114 Основы радиосвязи и телевидения
несколько снижается. Потери вертикальной четкости при построч-
ном разложении учитываются коэффициентом Келла (Ккел ~
= 0,75...0,85). Телевизионное изображение при чересстрочной раз-
вертке по качеству (с точки зрения вертикальной четкости) уступает
изображению с построчной разверткой. В частности, это обусловле-
но временными характеристиками зрительной системы человека.
Временное интегрирование яркости светящихся точек экрана кине-
скопа на периоде поля из-за быстрого затухания свечения люмино-
фора не дает желаемого эффекта. Вследствие этого при наблюде-
нии чересстрочного телевизионного растра зритель воспринимает
межстрочные мерцания яркости с частотой кадров, дрейф строк и
частично замечает строчную структуру изображения. Эксперимен-
тально установлено, что при переходе от стандарта с прогрессивной
разверткой, с частотой кадров /к = 50 Гц и удвоенной частотой строк
(2f2 = 31 250 Гц) к стандарту с чересстрочной разверткой, с частотой
кадров 25 Гц и вдвое меньшей частотой строк (f2 = 15 625 Гц), коэф-
фициент потери четкости Кпч = 0,63. При частоте смены полей
90 Гц потерь четкости уже нет и Кпч ~ 1. Используя принципы линей-
ной интерполяции, вычислим коэффициент потери вертикальной
четкости из-за чересстрочной развертки при частоте полей 75 Гц.
Из расчета следует, что Кт ~ 0,85 [6]. Таким образом, при чересст-
рочной развертке с fK = 25 Гц (число воспроизводимых в секунду по-
лей 50) для достижения качества телевизионного изображения, со-
ответствующего построчному разложению с теми же параметрами,
число строк развертки z должно быть увеличено примерно в 1,6
раза. Данное соотношение практически справедливо при изменении
яркости телевизионного изображения от 50 до 250 кд/м2. Поэтому,
с учетом потерь вертикальной четкости из-за дискретности растра,
за счет чересстрочной развертки число строк разложения в пер-
спективных телевизионных системах должно определяться в соот-
ветствии с выражением [7]:
Z — 2OCs/KKe/1Kn48rnjn •
При f„ = 50 Гц преобразование чересстрочного стандарта разло-
жения телевизионного растра в построчный позволяет уменьшить
число строк в растре примерно в 1,6 раза при той же самой визу-
ально воспринимаемой вертикальной четкости. Поэтому при разра-
ботке новых телевизионных систем иногда ставится вопрос об ис-
пользовании только построчного разложения.
5. Основные принципы функционирования телевизионных систем
115
5.2. Обобщенная структурная схема телевизионной
системы
Современная телевизионная система состоит из двух частей:
передающей и приемной, соединенных линией связи (рис. 5.4).
В зависимости от назначения системы объем и устройство техниче-
ских средств могут быть различными, но они характеризуются об-
щими для всех систем свойствами.
Объектив 1 преобразовывает световой поток, создавая оптиче-
ское изображение объекта на светочувствительной поверхности
преобразователя свет-сигнал 2. Это устройство преобразует свето-
вую энергию в электрическую, используя, например, явление фото-
эффекта. В современном телевидении в качестве преобразовате-
лей свет-сигнал применяются как передающие трубки электронно-
лучевого типа, например, видикон или его разновидности, так и
твердотельные (интегральные) преобразователи на приборах с за-
рядовой связью. С помощью развертывающих устройств 3 форми-
руются электрические сигналы пилообразной формы частоты строк
и полей, которые подаются на отклоняющую систему, например,
передающий ЭЛТ, которая обеспечивает процесс развертки телеви-
зионного изображения. Оптико-электронный преобразователь фор-
мирует электрические импульсы, несущие информацию об изобра-
жении, которые называются яркостным сигналом (видеосигналом).
Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синте-
зирующих устройств, обеспечивающих идентичность положения
развертывающих элементов в передающем и приемном устройст-
вах, необходимо генерировать и передавать специальные сигналы
синхронизации. Синхронность достигается при равенстве частоты
Анализирующее Синтезирующее
устройство устройство
Рис. 5.4. Структурная схема телевизионной системы:
1 - объектив; 2 - преобразователь свет-сигнал; 3 - развертывающие
устройства; 4 - синхрогенератор; 5 - видеоусилитель; 6 - передаю-
щее устройство; 7 - канал связи; 8 - приемное устройство; 9 - видео-
усилитель; 10 - преобразователь сигнал-свет; 11 - селектор импуль-
сов синхронизации; 12 - развертывающие устройства
г
8
116 Основы радиосвязи и телевидения
разверток в анализирующем и синтезирующем устройствах, а син-
фазность - при точном начале их работы (равенстве фаз). Для вы-
полнения этих условий в телевидении используется автономно-
принудительная синхронизация. Сигналы синхронизации выраба-
тываются в синхрогенераторе 4 и представляют собой импульсы
различной длительности и частоты. Одни импульсы синхронизации
вырабатываются один раз в течение периода строчной развертки,
другие - один раз в течение периода вертикальной развертки. Им-
пульсы синхронизации поступают в развертывающие устройства 3,
а также в видеоусилитель 5, где суммируются с сигналом яркости,
после чего подаются в передающее устройство 6. Совокупность сиг-
налов синхронизации, передаваемая совместно с сигналом яркости
по каналу связи, которая затем поступает непосредственно в теле-
визионные приемники, называется синхросмесью.
В телевизионной системе развертывающие устройства на ана-
лизирующей и синтезирующей сторонах работают в автоколеба-
тельном режиме. Синхронность и синфазность их работы обеспечи-
вается подачей на них сигналов синхронизации.
Синхрогенератор вырабатывает также сигналы гашения обрат-
ных ходов (гасящие импульсы) развертывающих элементов (элек-
тронных лучей) в передающих и воспроизводящих устройствах,
обеспечивающие их запирание на время обратных ходов. На пло-
щадках гасящих импульсов располагаются синхронизирующие им-
пульсы. Результирующий сигнал, состоящий из сигнала яркости
(видеосигнала), гасящих импульсов и сигнала синхронизации, назы-
вается полным телевизионным сигналом.
В передающем устройстве 6 производится модуляция несущей
полным телевизионным сигналом, после чего модулированный сиг-
нал поступает в канал связи 7. На практике условиям неискаженной
передачи телевизионных сигналов удовлетворяют радиоканал в
диапазонах метровых и дециметровых волн, кабельная (коаксиаль-
ная или волоконно-оптическая), радиорелейная и спутниковая
линии связи. В последнее время для организации телевизионного
вещания стали использоваться сети сотового телевидения и сеть
Интернет. В процессе передачи по каналу связи сигнал может под-
вергаться различным преобразованиям, но на выходе должен вос-
станавливаться полный телевизионный сигнал.
В приемном устройстве 8 происходит усиление принятого теле-
визионного сигнала как по высокой (радио), так и промежуточной
частотам, а также его детектирование. После детектирования пол-
ный телевизионный сигнал поступает на видеоусилитель 9, где
происходит усиление сигнала до необходимой величины для
управления преобразователем сигнал-свет, например, кинеско-
пом, 10, и на селектор импульсов синхронизации 11. В этом уст-
5. Основные принципы функционирования телевизионных систем 117
ройстве осуществляется выделение из полного телевизионного
сигнала импульсов синзхронизации, которые управляют развертьр
вающими устройствами 12, обеспечивая синхронность и синфаз-
ность движения развертывающих элементов анализирующего и
синтезирующего устройств.
Контрольные вопросы
5.1. Каким способом осуществляется развертка телевизионного изображе-
ния?
5.2. Расскажите о принципе получения чересстрочного растра.
5.3. Назовите основные параметры чересстрочного разложения.
5.4. Каким образом телевизионная развертка влияет на вертикальную чет-
кость изображений?
5.5. Назовите основные элементы структурной схемы телевизионной
системы.
5.6. Что такое синхронность и синфазность работы развертывающих уст-
ройств в телевизионной системе и как они поддерживаются?
5.7. Поясните назначение гасящих импульсов, передаваемых совместно
с видеосигналом.
5.8. Охарактеризуйте состав полного телевизионного сигнала.
6. ФОРМИРОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
6.1. Общие сведения о телевизионном сигнале
6.1.1. Форма полного телевизионного сигнала
Для упрощения процесса ознакомления целесообразно рассмот-
реть сначала структуру телевизионного сигнала во временном ин-
тервале, где отсутствуют кадровые гасящие импульсы (КГИ). Форма
полного телевизионного сигнала, соответствующего одному перио-
ду строчной развертки Тг, представлена на рис. 6.1. В интервале
времени Т^, соответствующем прямому ходу строчной развертки,
передается видеосигнал, представляющий собой совокупность
электрических импульсов, пропорциональных яркости передавае-
мых элементов изображения. Уровень видеосигнала, соответст-
вующий минимальному значению яркости, называется уровнем
черного, а уровень, соответствующий максимальному значению яр-
кости, - уровнем белого. Между этими уровнями располагаются все
остальные значения видеосигнала, соответствующие промежуточ-
ным значениям яркости.
Свет по своей природе униполярен, так как яркость не может
.быть отрицательной величиной. Видеосигнал, являясь величиной,
пропорциональной яркости изображения, также униполярен, т.е.
изменяется в одну сторону от нулевого значения и, следовательно,
имеет «постоянную» составляющую, пропорциональную средней
яркости передаваемого изображения. Если уровню белого соответ-
ствует максимальное значение сигнала, а уровню черного - мини-
мальное, то полярность такого сигнала называется положительной,
а сигнал - позитивным. В обратном случае видеосигнал имеет от-
рицательную полярность и является негативным.
Величина полного телевизионного сигнала определяется его
размахом, т.е. разностью между максимальным и минимальным
значениями напряжения (t/max), и выражается в вольтах.
Чтобы обратные ходы разверток не были заметны на изображе-
нии, необходимо яркость в' это время сделать минимальной. Для
этой цели в видеосигнал во время обратного хода строчной и кад-
ровой разверток вводятся специальные строчные гасящие импуль-
сы (СГИ) и КГИ, длительность которых соответствует длительности
обратных ходов строчной и кадровой разверток. По форме ГИ пред-
ставляют собой прямоугольные импульсы. Второе назначение ГИ
6. Формирование телевизионного сигнала
119
Рис. 6.1. Форма полного телевизионного сигнала положительной
полярности на строчном интервале
заключается в передаче «постоянной» составляющей телевизион-
ного сигнала. С этой целью амплитуда СГИ меняется в соответст-
вии с величиной напряжения «постоянной» составляющей.
Строчные и кадровые синхроимпульсы (ОСИ, КСИ), передавае-
мые по каналу связи, не должны мешать передаче видеосигнала,
поэтому их располагают на вершинах ГИ в так называемой области
«чернее черного». Различие между ними состоит в частоте повто-
рения и длительности: частота повторения ССИ соответствует час-
тоте строк fz, а длительность равна 4,7 мкс, частота следования
КСИ равна 50 Гц при длительности 160 мкс.
В полном телевизионном сигнале за опорный принимается уро-
вень ГИ. Он создает границу между областью передачи видеосиг-
нала и областью передачи сигналов синхронизации. Если принять
весь размах полного телевизионного сигнала Umax за 100%, то со-
гласно стандарту амплитуда синхронизирующих импульсов (СИ)
всегда должна составлять 30% от этого максимума вне зависимо-
сти от содержания изображения. Это постоянство амплитуда
обеспечивает надежное их отделение от видеосигнала в телеви-
зорах с помощью амплитудных селекторов, которые представляют
собой амплитудные ограничители. Уровень белого видеосигнала
при положительной полярности (см. рис. 6.1) отстоит от макси-
мального уровня полного телевизионного сигнала (контрольного
уровня белого) на 10... 15%, а между уровнем черного и уровнем
ГИ располагается охранная полоса, составляющая от 0 до 7% от
Umax. Охранный уровень в области белого предохраняет канал
связи от перегрузок. Охранная полоса в области черного необхо-
120
Основы радиосвязи и телевидения
дима для предохранения синхронизирующих импульсов от попа-
дания импульсных помех из области видеосигнала.
Структура полного телевизионного сигнала во время передачи
КГИ показана на рис. 6.2. Строки кадра нумеруются последователь-
но числами от 1 до 625, начиная от передачи фронта КСИ в первом
поле. Первым считается то поле, у которого фронты КСИ и ССИ
совпадают. При чересстрочной развертке первое поле включает
строки с 1 по 312 и половину 313 строки, а второе поле включает
вторую половину строки 313 и строки с 314 по 625.
Для исключения нарушений строчной синхронизации ССИ сле-
дует передавать и во время КГИ, и в течение КСИ. Поэтому ССИ во
время передачи КСИ помещаются внутри него в виде врезок, из ко-
торых в телевизорах формируются обычные ССИ.
Разделение сигналов синхронизации строк и полей (кадров) в те-
левизионном приемнике после отделения их с помощью амплитуд-
ного селектора с целью направления к соответствующим генерато-
рам разверток осуществляется с помощью дифференцирующей
и интегрирующей цепей. Причем дифференцирующая цепь, имею-
щая постоянную времени значительно меньше длительности ССИ
(ЯдифСдиф « 4,7 мкс), используется для выделения сигнала синхро-
низации строк, а интегрирующая цепь с постоянной времени Г?ИнтСинт ~
~ 160 мкс позволяет выделять КСИ (рис. 6.3, а). За время действия
ССИ напряжение на выходе интегрирующей цепи незначительно
возрастает, а затем спадает (рис. 6.3, б). В результате интегрирова-
ния последовательности синхронизирующих импульсов полей на-
пряжение на выходе цепи достигает почти максимального значения.
Следовательно, здесь разница в длительности импульсов строк
и полей преобразуется в разницу их размахов (см. рис. 6.3, б).
Начало первого поля
Рис. 6.2. Форма полного телевизионного сигнала отрицательной
полярности на кадровом интервале
6. Формирование телевизионного сигнала
121
Рис. 6.3. Выделение КСИ с помощью интегрирующей цепи:
а - принципиальная схема интегрирующей цепи; б - кривая
интегрирования синхронизирующих импульсов
При чересстрочной развертке (число строк z в кадре всегда нечет-
ное) структуры сигнала синхронизации для первого и второго полей
каждого кадра одинаковы, но имеется и различие. Оно заключается в
том, что начала разверток по строкам смещены в соседних полях на
0,5/7, где Н - условное обозначение периода строчной развертки,
равное 64 мкс. По этой причине интервал между последним ОСИ и
началом импульса синхронизации одного поля равен 3/7, а для друго-
го поля 3,5/7. Это обусловливает и соответствующий временной
сдвиг строчных врезок относительно фронта КСИ. В результате фор-
ма сигнала синхросмеси четных и нечетных полей оказывается не-
одинаковой. Из-за этого формы интегрированных импульсов (на вы-
ходе интегрирующей цепи) для четных и нечетных полей также будут
различными. Так как порог ограничения для выделения КСИ из сово-
купности интегрированных импульсов постоянный (L/orp на рис. 6.3, б),
то при синхронизации кадрового генератора такими импульсами мо-
жет произойти нежелательный сдвиг во времени начала обратных
ходов развертки по полям. Наличие такого сдвига приведет к частич-
ному нарушению чересстрочной развертки, которое проявляется в
частичном спаривании четных и нечетных строк. Спаривание строк
ухудшает качество изображения. Становится заметной строчная
структура, уменьшается четкость по вертикали. Поэтому необходимо
так изменить форму сигнала синхросмеси, чтобы исчезло различие
между кривыми интегрирования четных и нечетных полей. Для этого
перед каждым КСИ размещается передняя (/уи = 2,5/7), а после него
задняя (Луи = 2,5/7) последовательности уравнивающих импульсов,
следующих с двойной строчной частотой 2fz = 31 250 Гц. С такой же
частотой следуют и врезки в течение интервала КСИ. Длительность
как врезок, так и уравнивающих импульсов составляет 2,35 мкс. При
этом приведенная на рис. 6.2 форма полного телевизионного сигнала
122
Основы радиосвязи и телевидения
обеспечивает сохранение стабильной синхронизации по строкам во
время следования гасящих импульсов полей.
6.1.2. Спектральный состав телевизионного сигнала
Характерной особенностью телевизионного сигнала является
широкий диапазон частот, занимаемый видеосигналом. Спектр час-
тот видеосигнала Af определяется разностью между верхней fB и
нижней 4 граничными частотами:
Af = fB - fH.
Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует переда-
че неподвижного изображения, имеющего минимальное число из-
менений яркости. Наиболее простым является неподвижное изо-
бражение, состоящее из двух деталей разной яркости, имеющих
горизонтальную границу раздела. Такое изображение имеет одно
изменение яркости при передаче одного кадра изображения. При
чересстрочной развертке за нижнюю границу спектра fH следует
принять частоту, равную числу полей, передаваемых в секунду, т.е.
fH = 50 Гц. Эта нижняя граница спектра сохраняется и при переда-
че любого сложного изображения, что объясняется условиями по-
кадровой передачи изображения.
Верхняя частота спектра образуется при передаче максимально
сложного изображения. Из анализа условий передачи наиболее
сложного с точки зрения детальности телевизионного изображения
следует, что верхняя частота спектра fB определяется выражением
4 ~ 0,5/гфг fK,
где кф - формат телевизионного изображения, равный 1,33; z -
число строк разложения, равное 625; 4 - частота смены кадров, рав-
ная 25 Гц при чересстрочной развертке. Расчет, выполненный по
вышеуказанному соотношению, показывает, что fB ** 6,25 МГц. Верх-
няя частота определяет степень воспроизведения контуров мелких
деталей телевизионного изображения. Это объясняется тем, что в
горизонтальном направлении телевизионное изображение не имеет
дискретной структуры. Поэтому горизонтальный размер элемента
изображения определяется длительностью его передачи тэл, кото-
рая обратно пропорциональна верхней граничной частоте спектра
телевизионного сигнала fB, т.е. fB =1/2тэл. С увеличением верхней
частоты спектра длительность элемента уменьшается, а горизон-.
тальная четкость увеличивается. Следовательно, четкость изобра-
жения по горизонтали определяется полосой пропускания телевизи-
онной системы, которая практически соответствует верхней гранич-
ной частоте спектра fB, так как 4 =® 4 •
6. Формирование телевизионного сигнала
123
По аналогии с вертикальным разрешением горизонтальная чет-
кость часто оценивается числом воспроизводимых телевизионных
линий (твл) или элементов (отсчетов).
Поскольку полоса частот, занимаемая спектром телевизионного
сигнала, прямо пропорциональна числу передаваемых в секунду
кадров, то применение чересстрочной развертки позволяет сокра-,
тить эту полосу фактически в два раза.
Кроме основного спектра телевизионного сигнала, распростра-
няющегося от 50 Гц до примерно 6,25 МГц, имеется еще небольшой
участок в границах от 0 до 2...3 Гц. Этот участок спектра соответст-
вует так называемой «постоянной» составляющей телевизионного
сигнала, которая пропорциональна изменениям средней яркости
телевизионного изображения. Например, при длительной передаче
изображения испытательной таблицы средняя яркость не меняется,
поэтому частота сигнала «постоянной» составляющей равна нулю.
Однако во многих случаях, особенно при передаче кинофильмов по
телевидению, средняя яркость телевизионного изображения меня-
ется практически с частотой 2...3 Гц. Непосредственная передача
сигнала «постоянной» составляющей в телевизионной системе не
представляется возможной, так как многокаскадные видеоусилите-
ли не пропускают электрические сигналы с частотами, близкими к
нулю. Поэтому в телевизионной аппаратуре передача «постоянной»»
составляющей осуществляется косвенным путем, с помощью ам-
плитудной модуляции (AM) СГИ ее спектр оказывается перенесен-
ным в область основного спектра телевизионного сигнала. Затем
сигнал «постоянной» составляющей усиливается и передается со-
вместно с основным телевизионным сигналом.
Телевизионный сигнал при передаче неподвижного изображения
является периодическим. Его спектр имеет линейчатый-дискретный
характер и состоит из частоты полей 7„ и ее гармоник, частоты
124
Основы радиосвязи и телевидения
строк 4 и ее гармоник, а также боковых компонент, расположенных
по обе стороны от каждой из гармоник частоты строк (рис. 6.4). Те-
кущее значение частоты спектральных составляющих телевизион-'
ного сигнала (4) можно представить в виде выражения
4 = ^н4 — ^?н4»
где кн и тн принимают целые значения 0, 1, 2, 3..Составляю-
щие kHfz (гармоники строчной частоты) образуют первичный спектр
телевизионного сигнала или основные частоты. Амплитуды основ-
ных спектральных составляющих с ростом частоты убывают по экс-
поненциальному закону. Около каждой из основных частот спектра
группируются боковые составляющие, обусловленные кадровой
разверткой и движением деталей изображения. Они образуют вто-
ричный спектр с частотами mHf„, кратными частоте кадровой раз-
вертки.
Амплитуды составляющих вторичного спектра также убывают по
экспоненциальному закону. Соотношение между амплитудами со-
ставляющих первичного и вторичного спектров зависит от вида изо-
бражения и расположения его относительно растра. Практически
отношение максимума энергии к минимуму в спектре видеосигнала
в зависимости от содержания изображения составляет величину от
2 до 35 дБ.
Если в изображении имеются преимущественно вертикальные
линии или полосы, перпендикулярные горизонтальной оси, практи-
чески вся энергия будет сосредоточена в составляющих первичного
спектра с частотами kHfz. В целом основная энергия видеосигнала
сосредоточена около гармоник 4 и образует дискретные зоны
энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.
При передаче подвижных изображений дискретная структура ка-
ждого из участков спектра, расположенного по обе стороны от гар-
моник строчной частоты, нарушается и указанные участки приобре-
тают сплошной непрерывный характер. Однако скорость смены
кадров в телевизионной системе значительно превосходит ско-
рость движения объектов в телевизионных изображениях, поэтому
незаполненные промежутки в спектре сохраняются, а структура спек-
тра по-прежнему остается почти периодической.
Такая структура спектра в принципе позволяет совместить два и
более аналогичных сигналов. Нетрудно представить, что если вто-
рой телевизионный сигнал имеет такой же дискретный спектр, но
его отдельные участки по частоте размещены в промежутках перво*
го, то оба сигнала можно передать в одном канале связи и затем
вновь разделить. Это свойство спектра видеосигналов использова-
но в цветном телевидении.
6. Формирование телевизионного сигнала
125
6.1.3. Принципы формирования сигналов в системах
цветного телевидения
Современное цветное телевидение базируется на теории трех-?
компонентного цветового зрения, из которой следует, что смешением
трех основных спектральных цветов, взятых в определенных пропор-
циях, можно получить все возможные цвета. При этом основные цве-
та должны быть линейно независимыми, т.е. ни один из них не может
быть получен путем смешения двух других. В качестве основных
обычно берутся следующие цвета монохроматического излучения:
красный (Я) с длиной волны X = 700,1 нм, зеленый (G) - X = 546,1 нм,
синий (В) - Х = 435,8 нм. Например, равноэнергетический белый
цвет можно получить смешением в равной пропорции основных
цветов R, G, В.
Для передачи по телевидению многоцветное изображение объ-
екта на передающей стороне должно быть разделено на три одно-
цветных изображения (в красном, зеленом и синем цветах). Далее
видеосигналы Ед, Ев, Ев данных одноцветных изображений следует
передать по каналу связи по аналогии с черно-белым телевидение
ем. На приемной стороне для получения цветного изображения
объекта необходимо воспроизвести три одноцветных изображения
и осуществить их совмещение.
Важнейшим требованием, предъявляемым к системам цветного
телевидения, является совместимость, означающая:
1) возможность приема цветных передач в черно-белом виде на
существующие черно-белые телевизоры (прямая совместимость);
2) прием сигналов черно-белого телевидения на цветные теле-
визоры (обратная совместимость);
3) передачу сигналов цветного и черно-белого телевидения по
одному и тому же каналу связи (в полосе частот черно-белого те-
левидения). '
Для обеспечения совместимости в цветном телевидении необ-
ходимо иметь сигнал, который создавал бы нормальное черно-
белое изображение с правильным воспроизведением градаций яр-
кости цветного объекта. Поэтому в совместимых системах цветного
телевидения из полученных на передающем конце видеосигналов
основных цветов Ер, Eq, Ев формируется яркостный сигнал Е/
Еу = О, ЗЕЯ+0,59EG+0,11ЕВ, (6.1)
в котором численные значения коэффициентов, определяющих до-
Лю напряжений видеосигналов основных цветов, выбраны с учетом
характеристик принятого опорного белого цвета D6500 (источника с
цветовой температурой 6500К, соответствующего излучению днев-
126
Основы радиосвязи и телевидения
ного облачного неба) и координат цветности люминофоров совре-
менных цветных кинескопов. Яркостный сигнал Еу в соответствии
с выражением (6.1) формируется с помощью кодирующей матрицы,
которая представляет собой резистивные делители напряжения с
общей нагрузкой.
Кроме яркостного сигнала, в совместимой системе цветного те-
левидения необходимо передавать информацию о цветности. Прак-
тически достаточно передавать на приемную сторону только два
цветных сигнала, например Ер и Ев. Третий цветовой сигнал Ев мо-
жет быть легко получен на приемном конце матрицированием на
основании уравнения (6.1). Однако непосредственная передача
сигналов Ер и Ев нецелесообразна, поскольку данные сигналы, кро-
ме информации о цвете, содержат избыточную информацию о яр-
кости, которая уже имеется в сигнале Еу. Поэтому во всех совмес-
тимых системах цветного телевидения передаются цветоразност-
ные сигналы
Ер.у = Ер - Еу = 0,7Ер-0,59Ев-0,11ЕВ 1 ,
Ев.у = ЕВ-ЕУ = -0,3Ep -0,59Eg +0,89Ев Г '
которые формируются вычитанием из Ер и Ев яркостного сигнала
Еу. Особенность цветоразностных сигналов заключается в том, что
они не содержат информации о яркости. Например, их амплитуда
равняется нулю при передаче белых или серых участков изображе-
ния, когда Ер = EG = Ев = Еу, и мала на слабо насыщенных цветах.
Так как такие цвета обычно преобладают, то средняя амплитуда
цветоразностных сигналов гораздо меньше максимальной и много
меньше той средней амплитуды, которая была бы при передаче
сигналов Ер, EG, Ев. Это намного улучшает помехоустойчивость и
совместимость систем цветного телевидения. Причем цветоразно-
стные сигналы достаточно передавать в сокращенной полосе до 1,5
МГц. Это объясняется особенностями зрительного восприятия
цветных изображений. Экспериментальные исследования показали,
что цветными зрительный аппарат человека воспринимает только
крупные и средние детали изображения. Мелкие детали, которым
соответствуют частоты цветоразностных сигналов более 1,5 МГц,
достаточно воспроизводить черно-белыми, при этом общая оценка!
качества цветного изображения практически не ухудшится.
В совместимых системах цветного телевидения яркостный й
цветоразностные сигналы должны передаваться в стандартной по-
лосе частот черно-белого телевидения. Для этого используется уп-
лотнение спектра яркостного сигнала сигналами цветности, т.в;
формируется композитный телевизионный сигнал цветного изобра-
жения.
6. Формирование телевизионного сигнала
127
Практически в спектр яркостного сигнала вводятся одна или две
поднесущие частоты, промодулированные двумя цветоразностными
сигналами. Способ передачи и приема цветоразностных сигналов
и различает между собой современные вещательные системы цвет-
ного телевидения.
6.2. Способы обработки телевизионного сигнала
6.2.1. Особенности видеоусилительных трактов
телевизионных систем
В видеоусилительном тракте (камерном канале) телевизионной
системы формируется полный телевизионный сигнал цветного изо-
бражения путем усиления, коррекции и преобразования исходных
сигналов основных цветов Ея, Ев и Ев, а также сложения их с им-
пульсами гашения и синхронизации.
Вещательные телевизионные системы строятся по принципу
максимального упрощения линий связи и приемных устройств за
счет усложнения передающего оборудования.
Процесс обработки видеосигналов основных цветов включает
в себя несколько этапов. При прохождении по кабелю, соединяю*
щему передающие камеры с остальным оборудованием телецен*
тров, длиной несколько сотен метров, в видеосигналах ослабляются
высокочастотные компоненты из-за повышенного затухания соеди-
нительного кабеля в области граничных частот спектра. Поэтому
первое преобразование видеосигналов заключается в коррекции
искажений, вносимых кабелем. Затем видеосигналы поступают на
входы идентичных смесителей, куда на вторые входы подаются
раздельно для каждого цветодейенного сигнала выходные напря*
жения корректоров светорассеяния и сигналы коррекции неравно*
мерности уровней черного; Основным источником неравномерности
уровней черного, достигающей 5%, является неравномерность под-
светки наблюдаемых объектов.
Следующий этап обработки - коррекция апертурных искажений,
вносимых преобразователями свет-сигнал, используемыми в пере-
дающих камерах. В простейшем случае ограничиваются примене-,
нием апертурной коррекции в горизонтальном направлении, причем
степень коррекции делается регулируемой.
f Скорректированные таким способом цветоделенные видеосиг-
налы поступают на матричный цветокорректор. Параметры данного
устройства (коэффициенты матрицы цветокоррекции), наряду с ха-
рактеристиками цветоделительного блока оптической системы пе-
редающей камеры, в основном определяют ее цветопередачу.
128
Основы радиосвязи и телевидения
Затем цветоделенные сигналы ER, EG, Ев поступают на входы
трех идентичных гамма-корректоров, амплитудные характеристики
которых близки к степенной функции ЕЯвых ~ EYR*°% , EG вых Е%£,
ЕВвых == . Для гамма-корректоров рекомендуется номинальное
значение укор «0,45 с тем, чтобы амплитудные характеристики те-
левизионной камеры были приблизительно обратны характеристи-
кам цветных кинескопов (укин ~ 2,8). Поскольку амплитудные харак-
теристики сильно влияют на передачу контраста и цветопередачу,
их часто делают регулируемыми. Перед гамма-корректорами вклю-
чены фиксирующие схемы для обеспечения постоянства уровня
черного видеосигнала относительно амплитудной характеристики
корректоров независимо от сюжета изображений.
Многочисленные преобразования и коррекция видеосигналов
основных цветов в видеоусилительном тракте ухудшают отношение
сигнал-помеха. Поэтому в камерных каналах часто возникает необ-
ходимость использования специальных шумоподавителей.
Заканчивается видеоусилительный тракт усилителем-ограни-
чителем, в котором осуществляется введение гасящих импульсов
воспроизводящих устройств и синхронизирующих импульсов (ССИ,
КСИ), т.е. синхросмеси. Уровень ограничения гасящих импульсов,
замешанных в видеосигналы, должен плавно регулироваться для
установки защитной полосы между этим уровнем и уровнем черно-
го в видеосигналах. В целом усилители-ограничители служат для
защиты последующих звеньев телевизионной системы от пере-
грузки.
С выходов усилителей-ограничителей видеосигналы основных
цветов поступают на кодирующее устройство для формирования
полного телевизионного сигнала цветного изображения, который
далее подается на коммутационно-микшерное устройство теле-
центра.
Следует отметить, что даже в аналоговых телевизионных систе-
мах некоторые операции по обработке видеосигналов, например,
шумоподавление, коррекция искажений, могут производиться в циф-
ровой форме. Это значительно расширяет возможности и улучшает
качество воспроизводимых телевизионных изображений в основном
за счет использования устройств обработки с большим объемом
памяти, в которой запоминаются значения видеосигналов за один
или несколько кадров. Некоторое усложнение телевизионного обо-
рудования из-за применения в этих устройствах аналого-цифровых
и цифроаналоговых преобразователей видеосигналов, как правило,
бывает оправданным.
6. Формирование телевизионного сигнала
129
6.2.2. Коррекция апертурных искажений видеосигналов
Одним из важнейших способов обработки видеосигналов, осу-
ществляемых в камерном канале, является коррекция апертурных
искажений, вносимых преобразователями свет-сигнал. Апертурные
искажения связаны с конечным размером сечения (апертуры) раз-
вертывающего элемента и приводят к потере четкости телевизион-
ного изображения как по горизонтали, так и по вертикали. В воспро-
изводящих телевизионных устройствах апертурные искажения зна-
чительно меньше, чем в передающих, и ими обычно пренебрегают.
Простейшим способом апертурной коррекции (коррекции четко-
сти изображения) является подъем верхних частот спектра путем
пропускания сигнала через фильтр верхних частот (ФВЧ) и сумми-
рования полученного сигнала с исходным в определенном соотно-
шении. Это соотношение определяет, насколько повышается отно-
сительный контраст мелких деталей результирующего изображения
по сравнению с исходным контрастом, полученным на выходе пре-
образователя свет-сигнал. Для получения оптимального сигнала
коррекции требуется ФВЧ, АЧХ которого в рабочем диапазоне час-
тот аппроксимируется функцией
k(f) = sin2(nf/2fmax),
где 4пах - частота максимального подъема АЧХ, обычно выбирается
в пределах 5...10 МГц.
В некоторых случаях используют два параллельно включенных
ФВЧ с параметрами fmaxi » 3 МГц, fmax2 = 7 МГц. При этом подъем
АЧХ на частоте (naxi обеспечивает заметное повышение крутизны
фронта сигнала (коррекцию резкости) ценой значительного увеличе-
ния выбросов (оконтуривания).слева и справа от яркостной границы.
На практике применяют два варианта ФВЧ, из которых трансвер-
сальный фильтр (рис. 6.5, а), обеспечивая строгую линейность фа-
зочастотной характеристики ФВЧ, т.е. симметричность (слева и
справа) подчеркивания яркостной границы, более критичен в на-
стройке по сравнению с двухконтурным RLC-фильтром (рис. 6.5, б),
ФЧХ которого на частотах выше ?тах значительно отличается от ли-
нейной. В обоих случаях необходимо компенсировать задержку
ФВЧ путем пропускания основного (низкочастотного) сигнала через
линию задержки. Как трансверсальный, так и двухконтурный ФВЧ
реализуют операцию вычисления второй производной сигнала в ог-
раниченной полосе частот.
Следует отметить, что иногда апертурные корректоры распола-
гаются непосредственно в телекамерах. Это относится к’отдельным
конструкциям бытовых и прикладных телекамер. В этом случае ис-
9—6973
130
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 6.5. Структурные схемы горизонтальных апертурных корректоров:
а - с трансверсальным фильтром; б - с двухконтурным HLC-фильтром
Рис. 6.6. Структурная схема нелинейного апертурного
корректора с шумоподавлением:
1 - ФНЧ; 2 - линия задержки; 3, 5 - суммирующие устройства;
4, 7 - двусторонние ограничители; 6 - ФВЧ
пользуются простейшие двузвенные дифференцирующие RC-цепи,
которые, к сожалению, вызывают резкое возрастание внеполосных
шумов и помех.
Увеличение размаха составляющих видеосигнала на частоте fmax
в 2...4 раза за счет апертурной коррекции вызывает возрастание
уровня внутриполосных высокочастотных составляющих шума и
общее ухудшение отношения сигнал-шум видеосигнала на 8...10 дБ.
От этого недостатка свободен нелинейный апертурный корректор
с шумоподавлением (рис. 6.6) [8]. В нем сигнал основного канала
6. Формирование телевизионного сигнала
131
пропускается через ФНЧ1 с плавно спадающей ФЧХ. При этом от-
ношение сигнал-шум в основном канале улучшается на 3...4 дБ, а'
снижение в результате фильтрации уровня полезных’высокочастот-
ных составляющих компенсируется увеличением степени апертур-
ной коррекции. Причем сигнал коррекции UKOp дополнительно обра-
батывается ограничителями по минимуму, которые не пропускают
сигналы размахом менее 2...5 %. Такая мера исключает возраста-
ние шумов на участках изображения, соответствующих крупным де-
талям, где они наиболее заметны, но не снижает уровня шумов
вблизи мелких деталей и на периодических структурах. Кроме того,
из-за уменьшения размаха сигнала Ump на выходе ограничителя
падает четкость малоконтрастных деталей. Тем не менее общее
улучшение качества изображения вследствие меньшей зашумлен-
ности участков изображения, соответствующих крупным деталям,
настолько явное, что в современной телевизионной аппаратуре
применяются исключительно нелинейные апертурные корректоры.
Наряду с коррекцией четкости по горизонтали необходимо кор-
ректировать ее и по вертикали. Имеется несколько различных воз-
можностей для сочетания коррекции по вертикали и горизонтали.
Для двумерной (полной) коррекции четкости, т.е. в горизонталь-
ном и вертикальном направлениях изображения, очень часто ис-
пользуется разностный метод апертурной коррекции с применением
линий задержек (ЛЗ) на строку и на элемент разложения. Данный
метод основан на устранении паразитной информации на перехо-
дах от черного к белому, проникающей в полезный сигнал переда-
ваемого изображения. Для этого формируется сигнал коррекции,
получаемый вычитанием из основного сигнала сигналов соседних
элементов изображения. Сигналы для коррекции в горизонтальном
и вертикальном направлениях можно представить в виде следую-
щего выражения:
Ump= Uy-6,5(U + U2),
где Uy и U2 - сигналы, задержанные относительно исходного видео-
сигнала U на время, равное длительности двух и четырех элемен-
тов разложения. Из-за использования чересстрочного разложения
апертурная коррекция осуществляется через строку по вертикали и
через элемент по горизонтали. Для горизонтальной апертурной
коррекции время задержки для Uy равно 125 нс, а для U2 250 нс.
Для вертикальной апертурной коррекции оно соответственно равно
64 и 128 мкс. Полученный корректирующий сигнал UKOp суммируется
с сигналом, задержанным на два элемента разложения относитель-
но исходного для временного согласования. В результате коррекции
длительность перехода от черного к белому уменьшается примерно
9*
132
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 6.7. Функциональная схема разностного двумерного
апертурного корректора
в два раза. Степень коррекции можно менять, задавая уровень кор-
ректирующего сигнала. Для устранения появляющихся выбросов и
уменьшения шумов используется схема двустороннего амплитудно-
го ограничения по минимуму.
Функциональная схема разностного двумерного апертурного
корректора приведена на рис. 6.7 [8]. Широкополосные ЛЗ 1,2 обес-
печивают задержку исходного сигнала на строку, т.е. на 64 мкс. Та-
кая задержка реализуется с помощью ультразвуковых ЛЗ с предва-
рительной модуляцией и последующей демодуляцией видеосигна-
ла. Инверторы 3, 5, 7, 10 используются для изменения полярности
сигнала. ЛЗ 8, 9, обеспечивающие задержку сигнала на два элемен-
та разложения в горизонтальном направлении, реализуются на пас-
сивных ЯС-элементах. ЛЗ 12 обеспечивает согласование во време-
ни сигналов вертикальной и горизонтальной коррекций. С помощью
в. Формирование телевизионного сигнала
133
переменных резисторов R^ и Я2 схема позволяет осуществить
плавную независимую регулировку сигнала вертикальной С/кора и'
горизонтальной Umpr коррекции. В состав схемы входят также сум-
мирующие устройства 4, 6, 14, усилители видеосигналов 11, 13 и
двусторонний амплитудный ограничитель по минимуму 15.
При использовании в камерном канале цифровых методов обра-
ботки видеосигналов алгоритм работы апертурной коррекции оста-
ется прежним. В качестве элементов задержки используется много-
отводная цифровая ЛЗ на основе регистров сдвига.
В некоторых конструкциях камерного канала сигнал коррекции
UKOp вводится в цветоделенные видеосигналы Ер, EG, Ев дважды -
до и после гамма-корректоров, что позволяет дополнительно улуч-
шить компромисс между четкостью и зашумленностью темных уча-
стков изображения.
6.2.3. Электронная цветокоррекция видеосигналов
телевизионной камеры
Спектральные характеристики передающей камеры цветного те-
левидения должны строго соответствовать основным реальным
цветам приемника Rn, Gn, Вп. В этом случае они называются иде-
альными и обеспечивают отсутствие искажений цветопередачи в
изображениях на экране телевизора. Идеальные спектральные ха-
рактеристики передающей камеры в относительных величинах от
входа объектива до выхода передающей трубки определяются сис-
темой трех линейных уравнений:
гк = к,х + кгу + k3z
gk = М + к5у + k6z, (6.3)
ЬК = к7х + кйу + kgz
где къ .... к9 - постоянные коэффициенты, зависящие от выбора
основных цветов приемника и опорного белого цвета; х, у, z -
удельные координаты спектральных цветов в системе XYZ, являю-
щиеся функциями от длины волны света. Координаты основных
цветов приемника Rn, Gn, Вп по европейскому стандарту определя-
ются следующей матрицей:
' Хр Ун (0,640 0,330 0,030)
•*G Ув ZG — 0,290 0,600 0,110
^хв у в ZB } k 0,150 0,060 0,790
В качестве опорного белого цвета выбран европейский эталон-
ный источник для цветного телевидения D65oo, имеющий'координаты
цветности: х5 = 0,313; у5 = 0,329; z8 = 0,358.
134
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 6.8. Реальные спектральные характеристики
передающей камеры 7„, дп, Ьп
Рассчитанные в соответствии с уравнениями (6.3) идеальные спек-
тральные характеристики чувствительности отдельных каналов цвет-
ной передающей камеры совпадают с удельными координатами цве-
та в системе RGB (см. рис. 4.7) [9]. Как видно из рис. 4.7, они имеют
отрицательные ветви (характеристика гк имеет два положительных
горба) и обеспечивают неискаженное воспроизведение всех цветно-
стей, представленных точками внутри треугольника RnGnBn на диа-
грамме цветностей МКО. Следует отметить, что отрицательные вет-
ви вызваны тем, что треугольник RnGnBn расположен внутри спек-
трального локуса на этой диаграмме цветностей.
В реальных спектральных характеристиках передающей камеры,
соответствующих несколько расширенным основным положительным
ветвям кривых смешения первичных цветов приемника Тп,дп,Ьп, от-
рицательные ветви и малые положительные горбы (вторичные мак-
симумы) отсутствуют (рис. 6.8). Отличие реальных спектральных ха-
рактеристик от идеальных приводит к искажениям цветопередачи в
телевизорах для всех цветов, кроме опорного белого, который искус-
ственно устанавливается в телевизорах как равносигнальный путем
подбора режимов электродов цветного кинескопа (баланс белого
цвета). Для уменьшения ошибок цветопередачи применяются цвето-
корректирующие матрицы, состоящие из трех субматриц - по одной
субматрице в каждом канале R, G, В камеры.
Сигналы на входе и выходе цветокорректирующей матрицы,
включенной в видеотракт передающей камеры, взаимосвязаны:
& Формирование телевизионного сигнала
135
Er вых ~ ^11^/?вх +
вх + &1зЕв вх
’ ЕG вых = ^21 Er вх + &22 Eq вх + ^23 ЕВвх >
Ев вых — ^Er вх + a32EG
вх + a33Es вх
где Яц... а33 - коэффициенты матрицирования, рассчитываемые
методом итераций для набора испытательных цветов, рекомендо-
ванных МКО.
При расчете коэффициентов матрицирования должны выпол-
няться следующие условия:
- равенство суммы коэффициентов каждого ряда матрицы единице для
сохранения равенства между сигналами при передаче эталонного
белого цвета;
- абсолютные значения двух коэффициентов матрицирования в
одном ряду должны быть малыми в сравнении с третьим, в про-
тивном случае происходит ухудшение отношения сигнал-шум и
увеличение заметности цветных окантовок при неточном совме-
щении сигналов во времени;
- допустимые искажения цветности испытательных цветов должны
иметь разные весовые коэффициенты, определяемые экспери-
ментально с учетом особенностей восприятия телевизионного
изображения, поскольку чувствительность глаза неодинакова к
изменениям разных цветностей.
Очень часто коэффициенты матрицы, обеспечивающие выпол-
нение данных условий, делаются нерегулируемыми. В случае регу-
лируемых коэффициентов работа цветокорректирующей матрицы
описывается системой следующих уравнений:
Е я вых = Ервх + а^ (Ня вх ~ Eg вх ) + bi (Ер вх ~ Ед вх)
• Ев вых = Eg ах + ^2 ( Egbx ~ Ер ах ) + Ьа ( Eg Вх ~ Едвх),
Ев вых = Ев вх + ^з (Ев вх ~ Ер вх ) + Ьз (Ед вх — Eq вх )
где а, Ь- коэффициенты матрицирования.
Регулируемая цветокорректирующая матрица (рис. 6.9) позво-
ляет абсолютно точно передать цветности 6 цветов, по которым
настраивают камеру, так как с ее помощью можно изменять соот-
ношения видеосигналов Ер, EG, Ев для воспроизведения цвета,
изменяя коэффициенты а, b (8]. Причем при передаче видеосигна-
лов ахроматических объектов (ЕЯвх = EGbx = ЕВвх) сохраняется ба-
ланс белого цвета (ЕрВЬм = Egbmx ж ^ввых)*
Удовлетворительное качество цветопередачи телекамер при-
кладного и бытового назначения можно получить без применения
электронных цветокорректирующих матриц. Для компенсации отсут-
ствия отрицательных ветвей спектральных характеристик камеры
136
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 6.9. Структурная схема регулируемой
цветокорректирующей матрицы:
1 - формирователи разностных сигналов; 2 - сумматоры
формы кривых спектральной чувствительности выбирают более
узкими, что несколько снижает чувствительность камер.
Сохранение равенства видеосигналов ER, Eg, Ев при передаче
белого цвета и изменении цветовой температуры источника света
можно обеспечить, используя в оптическом блоке камеры привод-
ные светофильтры со специально подобранными спектральными
характеристиками пропускания, которые приводят спектральное
распределение излучения источника света к исходному, т.е. к тако-
му, для которого рассчитывалась цветопередача камеры. При этом
цветности всех объектов будут восприниматься камерой как цвет-
ности объектов, освещенных источником опорного белого, и,' таким
образом, их искажения не возникают. Однако при этом может сни-
жаться чувствительность передающих камер.
6.2.4. Коррекция нелинейных искажений видеосигналов
В цветном телевидении гамма-корректор исправляет искажения
цветового тона и насыщенности цвета, вызванные нелинейностью
амплитудной характеристики тракта от света до света. Причем тре-
6. Формирование телевизионного сигнала
137
буется высокая идентичность амплитудных характеристик гамма-
корректоров в трех цветовых каналах. Несовпадение амплитудных
характеристик гамма-корректоров цветовых каналов на 1...2% при-
водит к заметным искажениям цветности изображения.
Нелинейность амплитудной характеристики телевизионного
тракта вызывается нелинейностью его отдельных элементов. В ос-
новном нелинейность телевизионного тракта определяется ампли-
тудными характеристиками передающей и приемной телевизионных
трубок. Световая характеристика передающей трубки (другое назва-
ние амплитудной характеристики) аппроксимируется выражением
Uc = к^0'6,
где Uc - напряжение на нагрузочном сопротивлении передающей
трубки; к, - коэффициент пропорциональности; Loe - яркость объек-
та наблюдения; Yi - показатель степени, определяющий форму све-
товой характеристики передающей трубки. Например, для пере-
дающей трубки типа видикон у, = 0,6...0,7. Плюмбикон имеет прак-
тически линейную световую характеристику Yi s 1 •
Амплитудная характеристика приемных трубок, называемая так-
же модуляционной характеристикой, представляет зависимость ярко-
сти свечения экрана кинескопа от напряжения на модулирующем
электроде, т.е. £.иэ = f(Uc). Эта зависимость определяется функцией
U = к2Щг.
В цветных кинескопах управляющий сигнал подается как на ка-
тод, так и на модулятор. Величина у2 для цветного кинескопа не яв-
ляется постоянной. Она зависит от напряжения сигнала. Обычно у2
изменяется от 2,5 до 3,5 при подаче сигнала на модулятор и от 2,5
до 2,7 при подаче на катод.
В этом случае общая амплитудная характеристика телевизион-
ного тракта от света до света определяется зависимостью
U = к2 (к^5 )уг = kL<06,
где к = к]2к2 и у = у,у2.
Коррекция формы амплитудной характеристики тракта осущест-
вляется с помощью устройства с нелинейной амплитудной характе-
ристикой с показателем степени ук. В этом случае результирующий
коэффициент урез всего тракта от света до света будет выражаться
соотношением
Урез = Y1Y2YK
138 Основы радиосвязи и телевидения
Так как на практике урез == 1,2...1,3, то из предыдущего соотно-
шения следует
У К =1,2/(у1уг).
В телевизионном тракте необходимо наличие трех корректоров
нелинейности амплитудной характеристики (гамма-корректоров), ко-
торые непосредственно устанавливаются в каналах прохождения
трех цветоделенных сигналов. Видеосигналы Ея, Ев, Ев, подвергну-
тые гамма-коррекции, т.е. Eft.Eg.Eg, принято обозначать
Е'в, Eq, Е'в. Затем из сигналов Е'р, E'G, Е'в формируется яркостный
сигнал Еу согласно основному колориметрическому уравнению
(6.1) и два цветоразностных сигнала E'R.Y и E'B_Y в соответствии с
выражениями (6.2).
В современной телевизионной аппаратуре широкое применение
получили цифровые гамма-корректоры на базе запоминающих уст-
ройств (ЗУ), в которых для каждого уровня входного сигнала хранится
информация о требуемом уровне выходного сигнала, соответствую-
щая заданной форме амплитудной характеристики корректора.
Для того чтобы видеосигналы, соответствующие одинаковой яр-
кости изображения, имели одни и те же постоянные уровни незави-
симо от содержания изображения и находились на одних и тех же
участках амплитудной характеристики, перед гамма-корректорами
обязательно включаются схемы фиксации уровня черного (восста-
новления средней составляющей сигнала).
6.2.5. Восстановление средней составляющей
телевизионного сигнала
Средняя (постоянная) составляющая телевизионного сигнала ха-
рактеризует среднюю яркость изображения наблюдаемого объекта.
Для примера на рис. 6.10, а показаны осциллограммы телевизи-
онных сигналов с различными значениями средней составляющей
соответствующие изображениям светлой точки на темном фоне (1),
рядом расположенных темных и светлых точек на сером фоне (2),
темной точки на светлом фоне (3). В этом случае UcpA > иср.г > L/cp.3.
При прохождении телевизионного сигнала через межкаскадные
переходные конденсаторы средняя составляющая теряется, в ре-
зультате чего осциллограммы приобретают вид, показанный на
рис. 6.10, б (площади сигнала над осью абсцисс и под ней равны).
Из рис. 6.10, б видно, что вершины гасящих импульсов находятся на
разных уровнях LA < U2 < U3l зависящих от средней составляющей.
Если такого вида сигналы подать в цепь модулятора кинескопа, то
6i Формирование телевизионного сигнала
139
Гасящие импульсы
Уровни:
гашения
черного
серого
белого
*пц_п±М[
£ЛЬ1
£/фЗ
черного
белого
Уровни:
гашения
в)
Рис. 6.10. К пояснению процесса восстановления средней
составляющей телевизионного сигнала:
а - осциллограммы телевизионных сигналов с различными средники
составляющими; б - осциллограммы телевизионных сигналов
с потерянной средней составляющей; в - осциллограммы телевизи-
онных сигналов после фиксации средней составляющей
возникнут специфические искажения, например, для изображения 1
темный фон станет серым, светлая точка - очень яркой, для изо-
бражения 3 светлый фон будет серым, градации яркости в темных
местах воспроизводиться не будут. Телевизионный сигнал с поте-
рянной средней составляющей занимает почти вдвое больший
динамический диапазон по' сравнению с сигналом, имеющим
постоянную составляющую. При этом нарушается соотношение
между значениями яркости и уровнями сигнала.
Для неискаженного воспроизведения градаций яркости необхо-
димо, чтобы независимо от величины средней составляющей уро-
вень черного или белого в телевизионном сигнале занимал фикси-
рованное положение относительно световой характеристики кине-
скопа. Это обеспечивается привязкой вершин гасящих импульсов
к определенному уровню. Результаты восстановления (фиксации)
средней составляющей иллюстрируются рис. 6.10, в, на котором
вершины гасящих импульсов привязаны к нулевому уровню. Для сю-
жетов 1, 2 и 3 фиксированные значения средней составляющей соот-
носятся между собой следующим образом: Цщ < Ця < Ц>з, что при-
140
Основы радиосвязи и телевидения
Him. I... —HI.I II г I . u-rt
водит к правильным зависимостям между значениями телевизион-
ных сигналов и уровнями яркости.
На практике применяются как неуправляемые, так и управляемые
схемы восстановления средней составляющей. К недостаткам не-
управляемых схем следует отнести значительную инерционность при
резком уменьшении размаха телевизионного сигнала, неравномер-
ность воспроизводимой яркости вдоль строк. Более высокая точность
достигается управляемыми схемами фиксации, в которых для управ-
ления используются специальные импульсы, формируемые из син-
хронизирующих или гасящих сигналов.
На рис. 6.11 показана диодно-резистивная схема восстановления
постоянной составляющей мостового типа, обеспечивающая быст-
рую зарядку или разрядку конденсатора С при прохождении синхро-
низирующих или гасящих импульсов [10]. В отсутствие сигнала мост
тщательно сбалансирован, потенциалы точек а, б равны. При по-
ступлении управляющих импульсов конденсаторы Ct и С2 заряжа-
ются через диоды, а в промежутке между импульсами медленно
разряжаются через резисторы Fit и Rz, поддерживая диоды в запер-
том состоянии (С, = С2 » С). Если во время прохождения синхро-
низирующего импульса через конденсатор С его уровень больше
потенциала в точке б, конденсатор С будет заряжаться через VD2
до тех пор, пока потенциал точки б не уравняется с потенциалом
точки а. Если же уровень синхроимпульса будет ниже потенциала
точки б, конденсатор С начнет разряжаться через диод VDi до тех
Рис. 6.11. Принципиальная схема управляемого диодно-резистивного
устройства фиксации мостового типа
6. Формирование телевизионного сигнала
141
пор, пока потенциалы точек а и б не уравняются. Управляемая схе-
ма обеспечивает безынерционную фиксацию уровня синхроимпуль-
сов при большой постоянной времени разрядкимкостй С в интерва-
ле между импульсами.
6.2.6. Конструктивные особенности шумоподавителей
Принцип действия шумоподавителей основан на фильтрации те-
левизионного сигнала с помощью гребенчатых фильтров.
Как известно, спектр телевизионного сигнала имеет дискретную
структуру с гармониками, кратными частотам повторения строк и
кадров; причем последние группируются в виде достаточно узких
боковых полос вокруг гармоник строчной частоты. В то же время
спектральная плотность шума распределена по всему спектру и
практически одинакова как в области спектральных составляющих
телевизионного сигнала, так и между ними. Поэтому гребенчатый
фильтр с максимумами коэффициента передачи на частотах, крат-
ных частоте строчной развертки (пространственная фильтрация) или
частоте воспроизведения кадров (временная фильтрация), уменьша-
ет флуктуационные помехи за счет подавления шумовых состав-
ляющих, расположенных в минимумах коэффициента передачи.
Фильтры с узкими максимумами коэффициента передачи, чере-
дующимися через 25 или 15 25 Гц в полосе пропускания видеотрак-
та с ~ 6,25 МГц, реализуются лишь на базе нерекурсивных и ре-
курсивных гребенчатых фильтров.
Принцип действия этих фильтров заключается во взвешенном
сложении телевизионных сигналов от соседних кадров или строк,
а возможность их применения - на использовании высокой кадро-
вой и строчной корреляции телевизионных изображений [11]. На-
пример, простое сложение сигналов от двух соседних кадров те-
левизионного изображения приводит к двукратному увеличению
размаха сигнала, в то время как действующее значение флуктуа-
ционных помех увеличивается лишь в л/2 раз. Однако движущие-
ся объекты при такой обработке сигналов в изображении будут
«смазаны», т.е. будут воспроизводиться с меньшей четкостью.
Очевидно, что в этом случае выигрыш в повышении отношения
сигнал-шум уменьшается.
Временные нерекурсивные гребенчатые фильтры (с прямыми
связями) первого и второго порядков содержат оперативные запо-
минающие устройства (ОЗУ) для задержки входного сигнала на
время То и сумматор с умножителями для взвешенного сложения
входного и задержанного сигналов. При этом гребенчатая форма
амплитудно-частотной характеристики подобных фильтров пред-
142
Основы радиосвязи и телевидения
ставляет периодическую функцию с периодом, равным времени за-
держки в ОЗУ, т.е. То = 2л/соо . В то же время длительность фронта
переходной характеристики таких фильтров оценивается числом
интервалов лф времени задержки То.
Практически в нерекурсивных фильтрах нельзя получить доста-
точно узкие максимумы АЧХ. Поэтому из-за сравнительно малой
эффективности подавления флуктуационных помех они чаще ис-
пользуются в сочетании с рекурсивными в так называемых канони-
ческих фильтрах с прямыми и обратными независимыми связями.
Повышение эффективности подавления шумов можно достиг-
нуть за счет одновременного использования межкадровой, меж-
строчной и межэлементной корреляции телевизионных сигналов
путем соответственно временной и пространственной (вертикаль-
ной и горизонтальной) фильтраций. Реализация подобного шумопо-
давителя возможна с помощью гребенчатого фильтра третьего по-
рядка с разными временными задержками на время длительности
кадра, строки и элемента изображения (т.е. трех последовательно
включенных канонических фильтров с ОЗУ на ТОк = zT0 = 40 мс, Тостр =
в То = 64 мкс и Тоэл = 62,5...85 нс). Последний фильтр по существу
представляет собой фильтр нижних частот, понижающий уровень
высокочастотных составляющих сигнала и шума.
Эффективность подавления флуктуационных помех гребенча-
тыми фильтрами при одинаковой корреляции между отдельными
кадрами и между строками не зависит от абсолютной величины вре-
мени задержки сигнала То в ОЗУ, т е. от частоты повторения макси-
мумов АЧХ (/ок = 25 Гц и fOcip = 15 625 Гц). В действительности же оно
определяется фактическими величинами корреляций сигналов кон-
кретного телевизионного изображения. Поэтому величина и характер
искажений изображения, возникающих при временной или простран-
ственной фильтрации реальных изображений, будут различны.
Очевидно, что при передаче статических изображений времен-
ная фильтрация из-за полной корреляции отдельных кадров не вно-
сит искажений. Только появление новых статических объектов при
временной фильтрации происходит с «задержкой предъявления» их
во времени в соответствии с величиной ЛфТОк- Использование же
пространственной фильтрации при сложении сигналов от некорре-
лированных участков соседних строк во всех случаях (даже для ста-
тических изображений) сопровождается уменьшением четкости по
вертикали (из-за размытия горизонтальных границ и уменьшения
контраста мелких деталей), а также «задержкой предъявления»
(сдвигом) объекта по вертикали (воспроизведения его на после-
дующих строках в соответствии с величиной длительности фронта
переходной характеристики ЛфТОстр)-
6. Формирование телевизионного сигнала
143
Наконец, при любом виде временной гребенчатой фильтрации
движущиеся объекты будут «смазываться» пропорционально скоро-
сти их движения. Поэтому эффективное подавление шумов может
проводиться с помощью временной фильтрации и только для непод-
вижных участков изображений. Следовательно, в общем случае при
изменении корреляции сигналов и при передаче мелких деталей не-
обходима адаптивная перестройка параметров гребенчатых фильт-
ров в режиме реального времени так, чтобы обеспечить максимально
возможное качество изображения за счет рационального обмена ме-
жду частными параметрами - четкостью и отношением сигнал-
помеха. Эту задачу в шумоподавителе выполняет анализатор корре-
ляции сигналов, так называемый детектор движения, в котором в ре-
зультате сравнения сигналов на входе и выходе ОЗУ формируется
управляющий сигнал, изменяющий значения весовых коэффициен-
тов взвешивания.
В отличие от пространственной фильтрации, где можно приме-
нить любую форму сигналов - аналоговую и цифровую (из-за отно-
сительной простоты реализации задержки сигнала на ТОстР = 64 мкс
с помощью линий задержки), в шумоподавителях с временной
фильтрацией приходится использовать цифровую форму сигнала
из-за необходимости задержки сигнала на кадр ТОк = 40 мс.
Структурная схема цифрового шумоподавителя с рекурсивным
фильтром приведена на рис. 6.12 [4]. Шумоподавитель данной кон-
струкции отличается простотой реализации детектора движения.
В данном случае достаточно использовать цифровое устройство
с высоким быстродействием. На рис. 6.12 детектор движения пред-
ставлен ОЗУ на ТОк, формирователем разностного сигнала соседних
Рис. 6.12. Структурная схема цифрового шумоподавителя
на основе рекурсивного фильтра
144
Основы радиосвязи и телевидения
кадров Z2, формирователем сигналов управления (ФСУ), умножи-
телями для взвешенного сложения сигналов в сумматоре 5^.
Опытным путем установлено, что применение подобных шумопода-
вителей позволяет существенно (до 12 дБ) повысить отношение
сигнал-помеха.
6.3. Цифровое кодирование телевизионного сигнала
6.3.1. Общие принципы построения системы цифрового
телевидения
Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В сис-
темах первого типа, полностью цифровых, преобразование переда-
ваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразова-
ние цифрового сигнала в изображение на телевизионном экране
осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал
и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения ин-
формация передается в цифровой форме. В цифровых телевизион-
ных системах второго типа аналоговый телевизионный сигнал, по-
лучаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подверга-
ется всей необходимой обработке, передаче или консервации, а
затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используют-
ся существующие датчики аналоговых телевизионных сигналов и
преобразователи свет-сигнал в телевизионных приемниках. В этих
системах на вход тракта цифрового телевидения поступает анало-
говый телевизионный сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразу-
ется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой
комплекс операций, наиболее существенными из которых являются
дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.
Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал уже
является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по
помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналого-
вым, особенно при большом числе уровней квантования. Для уве-
личения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразо-
вать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала запи-
сать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение
уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию
символов «О» или «1». В этом и состоит третья, заключительная
операция по преобразованию аналогового телевизионного сигнала
в цифровой, называемая операцией кодирования. Данный способ
преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции
(ИКМ).
6. Формирование телевизионного сигнала
145
6.3.2. Дискретизация телевизионного сигнала
Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового
телевизионного сигнала является его дискретизация, которая пред-
ставляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) по-
следовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.
Наиболее распространенной формой дискретизации является рав-
номерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой
лежит теорема Найквиста-Котельникова. Частота дискретизации /д,
выбранная в соответствии с этой теоремой, равна: /д = 2 fB, где fB -
верхняя частота спектра телевизионного сигнала. (Для отечествен-
ного вещательного телевизионного стандарта fB ~ 6,25 МГц.)
В системах цифрового телевидения с ИКМ частоту дискретизации
fa выбирают несколько выше минимально допустимой, определяемой
теоремой Найквиста-Котельникова. Связано это с условием отсутст-
вия перекрытия побочных спектров в спектре дискретизированного
сигнала, обеспечивающего гарантированное исходное качество сиг-
нала при его обратном преобразовании в аналоговую форму с помо-
щью низкочастотной фильтрации. Поэтому при верхней граничной
частоте fB « 6,25 МГц fa должна выбираться не менее 12,5 МГц.
Выбор частоты дискретизации во многом зависит от вида струк-
туры отсчетов, т.е. от их относительного положения на телевизион-
ном экране, которая может быть фиксированной (отсчеты распола-
гаются на одних и тех же позициях в соседних кадрах) или подвижной
(отсчеты меняют свое положение). Искажения, возникающие в про-
цессе дискретизации, менее заметны в фиксированных структурах
дискретизации. Различают следующие виды фиксированных структур
дискретизации: строчно-шахматную, кадрово-шахматную и ортого-
нальную. В строчно-шахматной структуре используется строчное че-
редование точек, образованное в результате сдвига на половину ин-
тервала дискретизации отсчетов соседних строк данного поля. Кад-
рово-шахматная структура образуется путем сдвига отсчетов сосед-
них полей на половину интервала дискретизации. Практическое при-
менение получила фиксированная ортогональная структура, отсчеты
которой расположены на телевизионном экране вдоль вертикальных
линий периодично по строкам, полям, кадрам. Позволяя суммировать
соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей
способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура
дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций
в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устрой-
ствах сокращения избыточности информации. Это обстоятельство
явилось основным при выборе ортогональной структуры для базово-
го стандарта цифрового кодирования [12].
10- 6973
146
Основы радиосвязи и телевидения
Ортогональная структура отсчетов получается при выборе час-
тоты дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учи-
тывать, что в телевизионном вещании еще долго будут использо-
ваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. Заметим,
что в большинстве стран мира применяется развертка телевизион-
ного изображения на 625 строк при частоте полей в 50 Гц. Однако
в телевизионных системах США, Канады и Японии принят другой
стандарт разложения: число строк - 525 при частоте полей в 60 Гц.
В связи с этим параметры цифрового кодирования телевизионного
сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложе-
ния. Последнее обусловливает следующее требование: fa должна
быть кратна частоте строк систем с разложением на 525 и 625 строк.
С другой стороны, эта частота должна быть по возможности низкой,
чтобы не увеличивать скорость передачи цифрового потока. Наи-
меньшее кратное двум значениям строчной развертки 4(625) = 15625
Гц и 4(525) = 15734,266 Гц соответствует значению частоты 2,25
МГц. Поэтому для дискретизации телевизионных сигналов подходят
частоты 11,25, 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6
и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение явля-
ется единственным, которое обеспечивает перечисленные выше
требования. Оно дает возможность получить 864 отсчета в строке
с разложением на 625 строк и 858 отсчетов при разложении на 525
строк.
6.3.3. Квантование телевизионного сигнала
За процессом дискретизации при преобразовании аналогового
сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Квантова-
ние заключается в округлении полученных после дискретизации
мгновенных значений отсчетов до ближайших из набора отдельных
фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискрети-
зацию телевизионного сигнала не во времени, а по уровню сигнала
U(t).
Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты,
называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон
изменения сигнала U(t) уровнями квантования на отдельные об-
ласти значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу
квантования. Следствием этого становится появление в сигнале
специфических шумов, называемых шумами квантования. Ошибки
квантования или шумы квантования на изображении могут прояв-
ляться по-разному, в зависимости от свойств кодируемого сигнала.
Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по сравне-
нию с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на
6. Формирование телевизионного сигнала
147
изображении в виде ложных контуров. В этом случае плавные ярко-
стные переходы превращаются в ступенчатые, и качество изобра-
жения ухудшается. Наиболее заметны ложные контуры на изобра-
жениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвиж-
ных изображениях. Когда собственные шумы аналогового сигнала
превышают шаг квантования, искажения квантования проявляются
уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно распределен-
ные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигнала как бы
подчеркиваются, изображение в целом начинает казаться более
зашумленным.
Обычно используется линейная шкала квантования, при которой
размеры зон одинаковы.
Число уровней квантования, необходимое для высококачествен-
ного раздельного кодирования составляющих цветового телевизи-
онного сигнала, определяется экспериментально. Очевидно, что с
ростом этого числа точность передачи уровневой информации воз-
растает, шумы квантования снижаются, но при этом растет информ
мационный поток и расширяется необходимая для передачи полоса
частот. С другой стороны, при заниженном числе уровней квантова-
ния ухудшается качество изображения из-за появления на нем лож-
ных контуров. Кроме того, слишком велики, а потому и заметны шу-
мы квантования. Недостаточное число уровней квантования осо-
бенно неприятно сказывается на цветных изображениях. В этом
случае шумы квантования проявляются в виде цветных узоров,
особенно заметных на таких сюжетах, как лицо крупным планом, на
плавных перепадах яркости.
Пороговая чувствительность глаза к перепадам яркости в услови-
ях наблюдения, оптимальных для просмотра телевизионных пере-
дач, по экспериментальным данным около 1%, а это значит, что два
соседних фрагмента изображения, отличающихся по яркости на 1%,
воспринимаются как раздельные части изображения. Таким образом,
кодирование сигнала яркости с числом уровней квантования мень-
шим или равным 100 ведет к появлению на изображении ложных кон-
туров, что заметно ухудшает его качество. Следовательно, ближай-
шее число S двоичных символов (битов) в каждой кодовой комбина-
ции, при которой ложные контура не видны, будет равным 7 (S = 7).
Чтобы сделать оптимальный выбор значения S, следует оценить
уровень шумов квантования. Для количественной оценки влияния
шумов квантования на качество телевизионного изображения целе-
сообразно использовать специальный параметр - отношение сиг-
нал-шум квантования Ч'кВ, дБ.
В случае линейной шкалы квантования отношение сигнал-шум кван-
тования Ч'кВ, дБ определяется следующей известной формулой [13]
10:
148
Основы радиосвязи и телевидения
КВ1
дБ = 201д
mkU
bU/J\2
= 6,02S + 101д12 = 6S + 10.8,
где АС/ — шаг квантования; т - число уровней квантования; S- дли-
на кодового слова, т.е. число бит, с помощью которых можно запи-
сать в двоичной форме любой номер уровня квантования до т вклю-
чительно (m = 2s); mMJ- размах сигнала, подвергаемого квантова-
нию; AL//V12 - результирующее напряжение шума квантования.
Если S= 7, то Ткв, дБ « 52,8 дБ. Очевидный недостаток семираз-
рядного квантования заключается в близости к порогу по шумам
квантования и ложным контурам. Дальнейшие исследования пока-
зали, что для высококачественного раздельного кодирования теле-
визионного сигнала необходимо, как минимум, 8-битовое квантова-
ние. Фактически используются не все 256 уровней 8-разрядного
квантования (от 0 до 255), а несколько меньше. Обычно не исполь-
зуют полный динамический диапазон аналого-цифрового преобра-
зователя (АЦП), если существует опасность его превышения в про-
цессе эксплуатации. На практике превышение динамического диа-
пазона АЦП может возникать из-за эксплуатационной нестабильно-
сти уровня видеосигнала, появления выбросов при использовании
фильтров с резким ограничением амплитудно-частотной характе-
ристики, переходных процессов схемы фиксации уровня и др. Учи-
тывая это, для аналого-цифрового преобразования видеосигнала
предложено выделить только 220 уровней, а уровню черного и но-
минальному уровню белого поставить в соответствие уровни 16 и
235. Таким образом, предусматривается запас в 16 уровней «сни-
зу» и 20 уровней «сверху» при положительной полярности видео-
сигнала. Это различие учитывает неодинаковость восприятия воз-
никающих помех дискретизации на черном и белом.
6.3.4. Международные стандарты цифрового
преобразования телевизионных сигналов
Результаты проведенных исследований по цифровому преобра-
зованию телевизионных сигналов вошли в Рекомендацию Между-
народного консультативного комитета по радио (МККР) 11/601, раз-
работанную в 1982 г. для цифрового телевидения, в которой приво-
дятся значения основных параметров цифрового кодирования те-
левизионного сигнала для аппаратно-студийного комплекса (АСК)
телецентров, работающих со стандартами разложения как на 625
строк, так и на 525. После вхо>кдения МККР в состав Международно-
го союза электросвязи (МСЭ) данная Рекомендация получила обо-
значение МСЭ-Р601. В дальнейшем была разработана Рекоменда-
6. Формирование телевизионного сигнала 149
ция Международного союза электросвязи МСЭ-Р ВТ.601-5, учиты-
вающая воспроизведение телевизионных изображений как обычно1
го формата, так и широкоэкранных. Данный документ обобщил ре-
зультаты работы различных исследовательских групп, на основании
которых сформулированы принципы преобразования аналогового
телевизионного сигнала в цифровую форму, используемые всеми
производителями современного телевизионного оборудования. Ре-
комендация МСЭ-Р ВТ.601-5 описывает аналого-цифровое преоб-
разование телевизионного сигнала компонентного типа, т.е. пред-
лагает осуществлять раздельное кодирование яркостного (EY —> Y)
и цветоразностных (Ея_у -» Сг) и (Ев_у -> Сь) сигналов. При этом в
данной Рекомендации нормируются основные параметры отдель-
ных операций аналого-цифрового преобразования компонент теле-
визионного сигнала, обеспечивающие вещательное качество форми-
руемого цифрового телевизионного сигнала.
При разработке Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601-5 значения частот
дискретизации выбирались из расчета безыскаженного преобразова-
ния в цифровую форму сигнала яркости в полосе частот 5,75 МГц,
обеспечивающей горизонтальную четкость изображения более 440
телевизионных линий (твл) и цветоразностных сигналов в полосе
частот до 2,75 МГц, дающей четкость более 214 твл. Для яркостного
сигнала Еу частота дискретизации выбрана 13,5 МГц. С учетом необ-
ходимости образования общего цифрового потока и фиксированной
структуры отсчетов, выбранная частота дискретизации цветоразно-
стных сигналов равна половине частоты дискретизации сигнала яр-
кости, т.е. 6,75 МГц. Следовательно, частоты дискретизации сигналов
Еу, Er-y, Eb-y могут непосредственно формироваться из строчной час-
тоты соответствующего стандарта разложения. По аналогии с преоб-
разованием композитных телевизионных сигналов систем PAL и
NTSC в цифровую форму, где частота дискретизации выбиралась
равной учетверенной частоте цветовой поднесущей, частоту 13,5
МГц называют «четверкой», а частоту 6,75 МГц - «двойкой». Таким
образом, совокупность цифровых компонентных видеосигналов в со-
ответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5 описывается форму-
лой «4:2:2», что отражает соотношение частот дискретизации сигма1
ла яркости и двух цветоразностных сигналов, а также одновремен-
ность их передачи. При этом цифровые компонентные видеосигналы
(Сг, Сь) связаны с исходными цветоделенными аналоговыми телеви-
зионными сигналами (Ея, EG, Efl) следующими соотношениями:
Сг=0,713(Ея- У) = 0,713Ея_у;
Сь = 0,564(Ев - У) = 0,564 Е6-у,
а сигнал /определяется выражением (6.1).
150 Основы ра биосвязи и теле е идения
На практике внедрение стандарта цифрового кодирования 4:2:2
уменьшает отличие между основными стандартами разложения
625/50 и 525/60 и обеспечивает более высокий уровень их совмес-
тимости. Это достигнуто унифицированием длительности активной
части строки в двух системах развертки и выбором одинакового
числа отсчетов на активной части телевизионной строки: для сигна-
ла яркости 720 отсчетов, а для каждого из цветоразностных сигна-
лов - по 360 отсчетов.
В цифровых телевизионных системах яркостный и цветоразно-
стные сигналы подвергаются 8-разрядному квантованию, т.е. S = 8,
где S-длина кодового слова, определяющая число бит, с помощью
которых можно записать в двоичной форме любой номер уровня
квантования до т включительно (т = 25). Рекомендация МСЭ-Р
ВТ.601-5 учитывает, что исходные аналоговые сигналы EY, Еп_у,
Ев-y являются гамма-корректированными, т.е. их получают путем
матрицирования гамма-корректированных цветоделенных сигналов
ER, EGi Ев видеодатчика. Обработка негамма-корректированных ви-
деосигналов требует увеличения разрядности квантования по край-
ней мере до 11 бит, чтобы избежать заметности помех квантования
в области черного.
Современный прогресс технологии интегральных микросхем по-
зволил начать промышленный выпуск 10-разрядных АЦП и ЦАП для
кодирования и декодирования телевизионных сигналов, что дает
возможность разработчикам студийной телевизионной аппаратуры
особо высокого класса качества перейти от 8-разрядного к 10*
разрядому кодированию. В данном случае одним из ключевых мо-
ментов является уровень шума квантования. Видеосигнал с
8-битовым квантованием может иметь отношение сигнал-шум, рав-
ное 58,8 дБ, с 10-битовым квантованием - до 70,8 дБ. При этом
следует учесть, что в некоторых аналоговых устройствах отношение
сигнал-шум уже достигает 65 дБ. Это и определяет соответствую-
щие требования к цифровому оборудованию. Кроме того, по ряду
ответственных операций, например, микшированию, рир-проекции,
монтажу, 8-битовое квантование не обеспечивает требуемого каче-
ства, а в некоторых случаях, например, в цифровых телевизионных
камерах, необходимо даже 14-битовое квантование.
Основные параметры цифрового кодирования телевизионного
сигнала в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р ВТ.601-5 приве-
дены в табл. 6.1 [12].
Стандарт 4:2:2 определяет также скорость передачи цифровых
компонентных видеосигналов, на которую должны ориентироваться
разработчики цифровой аппаратуры, и цифровых интерфейсов.
Скорость цифрового потока С для цифровых компонентных видео-
сигналов рассчитывается по следующему выражению:
6. Формирование телевизионного сигнала
151
^Лв-У + ^ЛВ-Y ) >
где fM - частота дискретизации сигнала Еу, Гц; /Дя_у - частота
дискретизации сигнала Er~y, Гц; fa8_Y - частота дискретизации сиг-
нала Ев-у, Гц.
При использовании стандарта цифрового кодирования 4:2:2 пу-
тем объединения цифровых потоков яркостного и цветоразностных
сигналов в случае 8=8 суммарная скорость передачи цифровой ин-
формации равна 216 Мбит/с. В случае 10-битового кодирования С =
= 270 Мбит/с.
Если в цифровой телевизионной системе предполагается вос-
произведение изображений с форматом кадра 16:9, то значения
частот дискретизации следует увеличить в 1,33 раза, например,
частоту дискретизации сигнала EY (fRY) до 18 МГц. В зависимости
от разрядности квантования (длины кодового слова) скорость пере-
дачи цифровой информации в этом случае будет равна 288 или 360
Мбит/с.
Для некоторых случаев стандарт 4:2:2 оказывается неопти-
мальным, и поэтому применяются другие стандарты для записи,
обработки и передачи цифровых компонентных сигналов. Формат
4:4:4 предполагает для всех трех компонентов Y, Сг, Сь использо-
вать дискретизацию частотой 13,5 МГц, т.е. все компоненты переда-
ются в полной полосе частот и каждый из них содержит 720 отсче-
тов в активной цифровой части строки. В этом случае скорость
цифрового потока при 10-битовом прёдставлении отсчетов состав-
ляет 405 Мбит/с. Стандарт 4:4:4 используется при создании теле-
визионной продукции, к качеству которой предъявляются повышен-
ные требования, например телевизионных фильмов. Стандарт
4:4:4:4 аналогичен стандарту 4*4:4, но использует помимо выше-
рассмотренных дополнительный четвертый сигнал альфа-канала,
несущий информацию об обработке сигнала, например о прозрач-
ности изображения переднего плана при наложении нескольких
изображений. Дополнительным сигналом может также быть сигнал
яркости Y в дополнение к сигналам основных цветов Ея, Eg, Ев.
Скорость передачи данных в этом случае для 10-битового кодиро-
вания - 540 Мбит/с. '
Следующие стандарты предполагают уменьшение частоты дис-
кретизации цветоразностных сигналов в сравнении с форматом
4:2:2 и создавались прежде всего не для внутристудийного исполь-
зования, а для тех случаев, когда нужно в цифровой форме пере-
дать сигнал вещательного качества и устранить избыточность цве-
товой информации. Для уменьшения скорости цифрового потока в
таком случае признано целесообразным также уменьшить число
разрядов квантования с 10 до 8. В стандарте 4:1:1 частоты дискре-
152
Основы радиосвязи и телевидения
Таблица 6.1. Основные параметры цифровых компонентных
видеосигналов стандарта 4:2:2
Параметр 525/60/чересстрочная 525 /50 /чересстрочн ая
Кодируемые сигналы Сигнал яркости Y без синхроимпульсов Цветоразностные сигналы Сг и Сь
Структура дискретизации Ортогональная периодическая по строкам, полям, отсчеты Сг и Сь в каждой строке со- вмещены с нечетными отсчетами Y
Частота дискретизации сигнала яркости У, МГц 13,5
Частота дискретизации каждого цветоразностного сигнала Сп Сь, МГц 6,75
Число цифровых активных строк 507 576
Цифровой вертикальный интервал гашения, строки: * нечетное поле - четное поле 1-10 264-273 624-23 311-336
Число отсчетов в цифровой активной части строки: - сигнала яркости Y - каждого цветоразностно- го сигнала Сг, Сь • 720 360
Полное число отсчетов в строке: - сигнала яркости Y - каждого цветоразностно- го сигнала Сп Сь 858 429 865 432
Число битов на отсчет 8, 10
Число уровней в 10- разрядном слове для кван- тования яркостного сигнала 877 (64 - уровень черного, 940 - номинальное значение белого)
Число уровней в 10-разряд- ном слове для квантования цветоразностных сигналов 897 (нулевому значению аналогового сигнала соответствует уровень квантования 512)
6. Формирование телевизионного сигнала
153
ффффф
/Фк /Фк /Фк /Фк
Vi? tjz
Zb л /Фк /Фк
vP
Zb /Фк /Фк /Фк
/Фк /Фк /Фк /Фк
П? м? \С?
ФОФОФ
ФОФОФ
ФОФОФ
ФОФОФ
ФОФОФ
ФОФОФ
00000
ФОФОФ
ооооо
ФОФОФ
ФОООФ
ФОООФ
ФОООФ
ФОООФ
ФОООФ
4:4:4
4:2:2
4:2:0
4:1:1
О - отсчет У; — - отсчет Cf; I - отсчет Q,
Рис. 6.13. Графическое представление стандартов цифрового
кодирования телевизионного сигнала
тизации цветоразностных сигналов составляют 3,375 МГц, что соот-
ветствует 180 отсчетам сигналов Сг и Сь при 720 отсчетах яркостно-
го сигнала Y и цифровой скорости 202,5 Мбит/с для 10-битовых
слов и 162 Мбит/с для 8-битовых слов. Стандарт 4:1:1, как и все
вышерассмотренные, передает информацию о цвете в каждой стро-
ке и поэтому более предпочтителен для системы телевидения
NTSC, так как в ней информация о цвете передается для каждой
строки без усреднения и общее число строк меньше, чем в других
системах. Для системы SECAM характерна меньшая цветовая чет-
кость по вертикали и большая по горизонтали, что и обеспечивает
стандарт 4:2:0, в котором информация о цвете передается через
одну строку. Скорость цифрового потока при этом аналогична стан-
дарту 4:1:1, а в случае передачи только активной части строки со-
ставляет 124 Мбит/с для 8-битовых слов.
Таким образом, создается иерархия (семейство) совместимых
стандартов цифрового кодирования. Требование совместимости се-
мейства стандартов цифрового кодирования заключается в сравни-
тельно простом переходе от одного стандарта к другому. Если
учесть, что все стандарты базируются на ортогональной структуре
дискретизации, то, например, переход от стандарта 4:4:4 к 4:2:2 по-
лучается отбрасыванием каждого второго отсчета цветоразностных
сигналов, а переход от стандарта 4:2:2 к 4:1:1 осуществляется отбра-,
сыванием каждых трех отсчетов (рис. 6.13). Аналогично переход от
стандарта 4:1:1 к стандартам 4:2:2 и 4:4:4 будет заключаться в вос-
становлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов.
Предусмотрена возможность применения стандарта более низ-
кого уровня (например, для комплексов видеожурналистики) с ус-
ловным обозначением 2:1:1 (частоты дискретизации соответственно
равны 6,75 МГц и 3,375 МГц).
Также находят применение стандарт 3:1:1 - скорость передачи
данных 135 Мбит/с при 8-битовом кодировании и формат CIF
154
Основы радиосвязи и телевидения
(Common Interchange Format), содержащий 288 строк по 352 отсчета
для яркостной компоненты и 144 строки по 176 отсчетов для цвето-
разностных компонентов. Последний стандарт используется в низ-
коскоростных системах, таких как CD-ROM приложения, при пере-
даче только активной части изображения скорость цифрового пото-
ка составляет 30 Мбит/с при 8-битовых отсчетах.
Помимо цифрового представления компонентных видеосигна-
лов, было разработано кодирование композитного сигнала. Для
точного преобразования всех составляющих сложного сигнала сис-
тем PAL и NTSC было предложено дискретизировать его с частотой
44с. т.е. равной четвертой гармонике цветовой поднесущей. В ре-
зультате, в системе NTSC скорость передачи цифрового сигнала
составляет 143 Мбит/с, а в системе PAL - 177 Мбит/с.
Разрабатываемые системы ТВЧ имеют примерно удвоенную раз-
решающую способность по вертикали и, как минимум, удвоенную
разрешающую способность по горизонтали. К настоящему времени
для целей студийного производства (в АСК) и телевизионного веща-
ния предложено два стандарта: 1125/60/2:1 и 1250/50/2:1. Непосред-
ственно для производства и международного обмена программами
ТВЧ предлагаются стандарты: 1080/25/1:1, 1080/30/1:1, 1080/50/1:1,
1080/60/1:1, 1080/50/2:1, 1080/60/2:1. Кроме того, в последнее время
предложен стандарт 1080/24/1:1, который использует частоту кадров
24 Гц при прогрессивной развертке. Следует заметить, что подобная
частота смены кадров применяется в кинематографе. Поэтому бла-
годаря этому стандарту электронная и киноверсия кинофильма сов-
падают, что облегчает международный обмен кинопрограммами, ко-
торые редактируются в электронном виде и могут передаваться по
цифровым каналам связи. Таким образом, на основе цифровых тех-
нологий впервые удалось эффективно объединить интересы ТВЧ
вещания и массового электронного кинематографа.
Использование цифровых методов в ТВЧ позволило во многом
унифицировать множество предложенных стандартов за счет при-
менения единого формата (16:9) изображения ТВЧ, предусматри-
вающего 1080 активных строк в кадре с чересстрочным или про-
грессивным разложением при 1920 отсчетах в активной части стро-
ки для яркостного сигнала (для цветоразностных сигналов число
отсчетов в активной части строки установлено равным 960). Пред-
полагается переключаемая частота кадров 24, 25, 30 кадров в се-
кунду при частоте 50/60 полей в с. (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.709-3,
принятая в июне 1999 г.). Формат 16:9 означает формирование
квадратной структуры отсчетов, что соответствует квадратным эле-
ментам изображения на экране, обычно используемым в компью-
терной технике.
6. Формирование телевизионного сигнала
155
Разработка Рекомендации МСЭ-Р ВТ.709-3 впервые в мировой
практике позволяет создать единую линейку студийного цифрового
оборудования, удовлетворяющего требованиям видео- и кинопро-
изводства, а также международного обмена передачами ТВЧ.
Основные параметры цифрового кодирования вещательных
стандартов ТВЧ, согласованные в соответствии с Рекомендацией
МСЭ-Р ВТ.709-3, приведены в табл. 6.2.
Таблица 6.2. Основные параметры цифрового кодирования веща-
тельных стандартов ТВЧ
Параметр Значения для стандарта
1125/60/2:1 1250/50/2:1
Частота дискретизации сигнала яркости Еу, МГц 74,25 (33x2,25) 72 (32x2,25)
Частота дискретизации цветоразностных сигна- лов у, Ед.у, МГц 37,125 (33/2x2,25) 36 (33/2x2,25)
Вид кодирования Линейное, 8 или 10 бит для каждого сиг- нала Линейное, 8 или 10 бит для каждого сиг- нала
Скорость результирую- щего цифрового потока при 8-битовом кодиро- вании, Мбит/с . 1188 1152
Скорость результирую- щего цифрового потока при 10-битовом кодиро- вании, Мбит/с 1485 ч 1440
Таким образом, при реализации цифровых способов кодирования
телевизионных изображений, основанных на классической ИКМ, необ-
ходимо оперировать с высокой скоростью цифрового потока, дости-
гающей нескольких сотен или даже полутора тысяч (в случае ТВЧ)
Мбит/с. И это рождает много проблем как при передаче видеоданных
по каналам связи, так и при их обработке, например, консервации, т.е.
записи. Снизить указанные скорости цифрового потока позволяют ме-
тоды эффективного сокращения объемов психофизиологической и
статистической избыточности составляющих видеоинформации, на-
пример, разработанные на их основе способы видеокомпрессии, яв-
ляющиеся ключевыми процессами цифровых технологий..
156
Основы радиосвязи и телевидения
6.4. Практическое использование видеокомпрессии
в телевидении
6.4.1. Стандарт кодирования MPEG-2
Основной целью видеокомпрессии является более компактное
представление изображений с информационной точки зрения.
Вопросами сжатия информации и выпуска соответствующих
стандартов и рекомендаций занимается MPEG (Motion Picture Ex-
perts Group)- созданная в 1988 г. организация, объединяющая
представителей фирм и научных институтов разных стран. MPEG
представляет собой подкомитет двух международных организаций
- ISO (Международная организация по стандартизации) и IEC (Ме-
ждународная электротехническая комиссия). Одна из основных за-
дач MPEG состояла в изучении проблемы и разработке стандарта на
компрессию спектра цифрового видеосигнала, что позволило пред-
ложить способы записи и передачи изображения и звука посредством
возможно меньшего числа данных с возможно лучшим качеством.
В рамках стандартизации методов цифровой компрессии и муль-
типлексирования сигналов телевидения, звукового сопровождения и
дополнительной информации в настоящее время разработаны три
международных стандарта сжатия видеоданных подвижных изобра-
жений: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4. Их параметры оптимизированы.
Стандарт MPEG-2 (также известный как ISO/IEC-13818) был спе-
циально разработан для кодирования телевизионных сигналов ве-
щательного телевидения. Он позволяет получить полную четкость
декодированного телевизионного изображения, соответствующую
Рекомендации МСЭ-Р ВТ.601-5. (При скорости передачи видеодан-
ных 14 Мбит/с качество телевизионного изображения соответствует
студийному, а для вещания с профессиональным качеством одной
телевизионной программы необходимо передавать цифровой поток со
скоростью 5...8 Мбит/с).
Пакет стандартов MPEG предусматривает возможность пере-
хода к ТВЧ. Среди 10 составных частей стандарта MPEG-2 можно
выделить три основных: 13818-1 - системную, 13818-2 - видео и
13818-3 - звуковую.
В стандарте 13818-2 определено, что стандарт MPEG-2 - это це-
лое семейство взаимно согласованных совместимых цифровых
стандартов информационного сжатия телевизионных сигналов с
различной степенью сложности используемых алгоритмов. Поэтому
в рамках стандарта MPEG-2 была разработана система профилей и
уровней. Профиль - это подмножество стандарта для специализи-
рованного применения, задающее алгоритмы и средства компрес-
6. Формирование телевизионного сигнала 157
сии. Уровни внутри каждого профиля связаны с параметрами ком-
прессируемого изображения.
Градации качества телевизионного изображения для вещатель-
ных систем в стандарте ISO/IEC 13818-2 устанавливаются введени-
ем четырех уровней для формата разложения строк телевизионного
изображения и пяти профилей для форматов кодирования сигналов
яркости и цветности. Общая идеология построения стандарта
MPEG-2 поясняется табл. 6.3 [15].
Расположенный в нижней части таблицы уровень называется
«низким уровнем» и ему соответствует новый класс качества теле-
визионного изображения, которое вводится в стандарте MPEG-2 -
телевидение ограниченной четкости. В этом случае в кадре телеви-
зионного изображения содержится 288 активных строк (в 2 раза
меньше, чем в вещательном телевидении) и каждая строка дискре-
тизируется на 352 отсчета.
Таблица 6.3. Уровни, профили и согласованные точки стандарта
MPEG-2
Уровень Скорости передачи видеоданных, Мбит/с
Простой профиль без В кадров, формат 4:2:2 Основной профиль без В кадров, формат 4:2:0 Профиль с масштаби- руемым от- ношением С-Ш, В кад- ры, формат 4:2:0 Специаль- ный мас- штабируе- мый про- филь В кад- ры формат 4:2:0 Высший профиль, В кадры, формат 4:2:0 или 4:2:2
Высокий 1920 отсчё- тов 1152 строки (ак- тивных) 80 А 100
Высокий 1440 отсче- тов 1152 строки (ак- тивных) 60 60 80
Основной 720 отсчетов 576 строк (активных) 15 15 15 20
Низкий 352 отсчета 288 строк (активных) 4 4 «
158
Основы радиосвязи и телевидения
Кодирование сигналов телевидения вещательного стандарта
выполняется в соответствии с основным уровнем, т.е. с форматом
разложения на 576 активных строк в кадре, которые кодируются с
использованием 720 отсчетов на строку.
Высокий уровень - 1440 поддерживает телевизионные изобра-
жения высокой четкости с разрешением 1440x1152 элементов.
Высокий уровень - 1920 поддерживает телевизионные изображе-
ния высокой четкости широкого формата с разрешением 1920x1152
(HDTV-plus). В обоих «высоких» уровнях кадр телевизионного изо-
бражения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в ве-
щательном телевидении). Эти строки дискретизируются соответст-
венно на 1440 или 1920 отсчетов.
В стандарте используются 5 профилей, которым соответствуют 5
наборов функциональных операций по обработке (компрессии) ви-
деоданных.
Профиль, в котором используется наименьшее число функцио-
нальных операций по компрессии видеоданных, назван простым.
В нем при компрессии видеоданных используется компенсация дви-
жения изображения и гибридное дискретно-косинусное преобразова-
ние (ДКП).
Следующий профиль назван основным. Он содержит все функ-
циональные операции простого профиля и одну новую: предсказа-
ние по двум направлениям. Эта новая операция, естественно, по-
вышает качество телевизионного изображения.
Следующий за основным назван профилем с масштабируемым
отношением сигнал-шум. Термин «масштабирование», в данном
случае, означает возможность обмена основных показателей сис-
темы, способность воспроизведения телевизионных изображений
из части полного потока видеоданных. Этот профиль к функцио-
нальным операциям основного профиля добавляет новую - мас-
штабирование. Основная идея - повышение устойчивости цифрово-
го телевидения и сохранение работоспособности при неблагопри-
ятных условиях приема. Операция масштабирования позволит в
рассматриваемом случае повысить устойчивость системы за счет
некоторого снижения требований к допустимому уровню отношения
сигнал-шум в воспроизводимом телевизионном изображении.
При масштабировании потоки видеоданных разделяют на две
части. Одна из них несет наиболее значимую часть информации -
ее называют основным сигналом. Вторую часть, несущую менее
значимую информацию, называют дополнительным сигналом. Де-
кодирование только одного основного сигнала позволяет получить
телевизионное изображение с пониженным отношением сигнал-шум
относительно исходного значения.
6. Формирование телевизионного сигнала 159
И все же, что можно извлечь из идеи деления потока данных на
более и менее значимые части? А все дело в защите системы от
ошибок. Помехоустойчивое кодирование требует введения допол-
нительных бит, что повышает общий поток информации. Задача
упрощается, когда более мощная защита применяется только к час-
ти информации и тем самым соблюдается разумный баланс между
уровнем потока видеоданных и степенью их защиты. При неблаго-
приятных условиях приема (например, при низкой напряженности
радиополя, при приеме на комнатную антенну и т.п.) сохраняется
возможность устойчивого декодирования более защищенного ос-
новного сигнала, а неустойчиво воспринимаемый дополнительный
сигнал просто отключается. Это ведет к росту уровня шума, зато
система остается работоспособной.
Бывают ситуации, когда сигналы приходится передавать по ка-
налам с ограниченной пропускной способностью. Деление потока
видеоданных на два позволяет использовать и «плохие» каналы,
ограничивая передачу основным сигналом.
Следующий, четвертый, профиль назван специально масштаби-
руемым профилем. Здесь, естественно, сохранены все операции
предшествующего профиля и добавлена новая - разделение потока
видеоданных по критерию четкости телевизионного изображения.
Этот профиль обеспечивает переходы между ныне действующими
вещательными системами и ТВЧ. С этой целью видеоданные сигнала
ТВЧ разделяются на три потока. Первый - это основной (значимый)
поток видеоданных, например, по стандарту разложения на 625
строк. Второй поток несет дополнительную информацию об изобра-
жении с числом строк до 1250. Одновременное декодирование пер-
вого и второго потоков видеоданных позволяет получить телевизи-
онное изображение высокой четкости, но с пониженным отношением
сигнал-шум. В третьем потоке сосредоточена менее значимая ин-
формация, его декодирование позволяет повысить отношение сиг-
нал-шум в видеоканале до уровня, принятого в ТВЧ. Обычно первый
поток видеоданных, представляющих сигнал 625-строчного телеви-
дения, - это 6 Мбит/с, дополняющий его до ТВЧ - 6 Мбит/с, а повы-
шающий отношение сигнал-шум до уровня, когда шумы визуально
незаметны -12 Мбит/с.
В рассмотренных четырех профилях при кодировании сигналов
яркости и цветности используется формат представления видео-
данных 4:2:0, в котором число отсчетов сигналов цветности по
сравнению с сигналом яркости уменьшается в два раза не только по
горизонтальным, но и по вертикальным направлениям. Следующий,
пятый профиль называется высшим, и он включает в себя все
функциональные операции специального профиля 4:2:2, при кото-
160
Основы радиосвязи и телевидения
ром число отсчетов сигналов цветности в вертикальных направлени-
ях остается тем же, что и у сигнала яркости. В этом случае коэффи-
циент компрессии минимален, а качество изображения наивысшее.
Приведенные в табл. 6.3 пять профилей и четыре уровня обра-
зуют 20 возможных комбинаций видеосигнала, из которых, вероят-
нее всего, только 11 будут необходимыми. Для этих комбинаций
(согласованные точки) в таблице указаны максимальные значения
скорости передачи видеоданных в Мбит/с.
Для всех стандартизованных точек указаны максимальные пото-
ки видеоданных, которые позволяют получить телевизионное изо-
бражение, свободное от каких-либо дефектов. В иных случаях они
могут проявиться в процессе кодирования/декодирования видеосиг-
нала. Используемые в конкретных кодерах потоки видеоданных мо-
гут быть меньше (в несколько раз) указанных значений. Выбор
уровня компрессии и, в конечном итоге, уровня потока зависит от
допустимой степени искажений телевизионного изображения.
Таким образом, стандарт MPEG-2 позволяет гибко менять ско-
рость передачи видеоданных в очень широких пределах. Надо за-
метить, что системы кодирования стандарта MPEG-2 могут рабо-
тать как с чересстрочной, так и с прогрессивной развертками, при
частоте полей 50 или 60 Гц. Для каждой стандартизованной точки
в таблице оговорено число отсчетов сигнала яркости на активной
части строки. Рассмотренные комбинации параметров информаци-
онного кодирования пригодны для работы с различными цифровы-
ми трактами.
Стандарт MPEG-2 принципиально нацелен в будущее. Большин-
ство выпускаемых в настоящее время декодеров в интегральном ис-
полнении относится к основному профилю и основному уровню
(MP@ML), рассчитанных на телевизионное изображение с чересст-
рочным разложением в качестве 625 строк. Эта система принята
в первого поколения цифровых телевизоров для непосредственного
телевизионного вещания (НТВ) со спутников, работающих в диапазо-
не 11 /12 ГГц, и кабельной сети распределения.
Однако ряд особенностей основного профиля и основного уров-
ня стандарта MPEG-2, например, низкое вертикальное разрешение
в цветоразностных каналах, ограничивают его применение в усло-
виях телевизионных студий, в видеопроизводстве. Для достижения
высоких качественных показателей в случае многократного кодиро-
вания-декодирования важно кодировать видеосигналы стандарта
4:2:2. Использование видеосигналов, кодированных в стандарте
4:2:0, совместно с основным профилем и основным уровнем
MP@ML означает, что вертикальное разрешение в цветоразност-
ных каналах уменьшается вдвое. Взаимное преобразование видео-
6. Формироввние телевизионного сигнале
161
сигналов стандартов 4:2:2 и 4:2:0, необходимое для обеспечения
совместимости в телевизионном тракте в соответствии с Рекомен-’
дацией МСЭ-Р ВТ.601-5, требует в каждой точке преобразования
вертикальные фильтры нижних частот. Хорошо известно, что каскад-
ное включение таких фильтров быстро приведет к «смягчению», т.е.
к размытию цветовых границ. Для сохранения цветового вертикально-
го разрешения лучше осуществлять компрессию видеоданных, коди-
рованных по стандарту 4:2:2. Поэтому в рамках группы MPEG-2 был
разработан дополнительный стандарт 422 Profile @ Main Level
(422 P@ML).
Стандарт 422 P@ML является подмножеством основного профи-
ля и основного уровня MP@ML в том смысле, что все значения па-
раметров первого либо равны, либо превышают соответствующие
значения второго. Принцип обратной совместимости, заложенный
в MPEG-2, гарантирует, что декодеры 422 P@ML способны декоди-
ровать цифровые потоки MP@ML.
Основные возможности стандарта 422 P@ML, превосходящие
соответствующие свойства основного профиля и основного уровня
MP@ML, заключаются в следующем:
- допускается кодирование сигнала по стандарту 4:2:2, в то время
как MP@ML ограничен кодированием сигналов способом 4:2:0;
- цифровой поток кодированных видеоданных может принимать
любое значение до 50 Мбит/с, а в MP@ML - только 15 Мбит/с;
- вертикальное разрешение ограничено значением 512 твл в слу-
чае 525-строчных систем и 608 твл в случае 625-строчных сис-
тем, а в MP@ML - значениями 480 и 576 телевизионных линий
соответственно;
- в 625-строчных системах кроме 576 активных строк стандарт 422
P@ML обеспечивает возможность кодирования еще 32 строк в
кадре как составной части видеосигнала. Это позволяет пропус-
кать напрямую через систему цифрового сжатия важные строки
полевого интервала гашения. Поэтому стандарт 422 P@ML га-
рантирует пропускание такой информации, как полевой времен-
ной код и сигналы испытательных строк, не требуя отдельной
обработки этих строк.
После того как была сформулирована профессиональная версия
MPEG-2 422 P@ML, используемая для студийного производства, он
получил статус полноценного международного стандарта, который
иногда называют 422 Studio Profile/ML. В результате появилась ре-
альная возможность применения стандарта сжатия MPEG-2 на всех
участках технологической цепочки создания телевизионных про-
грамм: от съемки до телезрителя, включая доставку новостийных
сюжетов на телецентр, студийную компоновку программ, их распро-
11 - 6973
162 Основы радиосвязи и телевидения
странение и передачу в эфир. Стандарт предоставляет возможно-
сти эффективной работы во всех этих звеньях. Профили MPEG-2
определяют набор способов и технических приемов по сжатию ви-
деоданных, а уровни - такие параметры, как размер изображения,
или скорость цифрового потока при выбранном способе кодирова-
ния. Профиль 422 характеризуется высокой скоростью цифрового
потока и относительно короткими группами изображений, что по-
зволяет монтировать телевизионную программу с достаточно высо-
ким качеством.
В настоящее время активно разрабатывается стандарт MPEG-2
4:2:2 P@HL (профиль 4:2:2 на высоком уровне), нацеленный на
использование в системах ТВЧ.
Для кодирования звуковых сигналов с целью их компрессии в
MPEG-2 используется стандарт информационного сжатия звуковых
данных MUSICAM (Masked Pattern for Adapted Universal Coding and
Multiplexing), обозначаемый также как MPEG Layer II. Стандарт MU-
SICAM позволяет передавать моно, стерео, многоязыковый и sur-
round (пространственный) звук.
MUSICAM позволяет снизить скорость потока данных, необходи-
мую для воспроизведения звуковых сигналов, адекватного качеству,
получаемому при воспроизведении компакт-дисков, до 128 кбит/с на
каждый моноканал звукового сопровождения. Таким образом, для
самого низкого уровня - двухканального стереофонического звукового
сопровождения - потребуется скорость передачи цифровых данных,
равная 128 кбит/с х 2 = 256 кбит/с. В основе стандарта лежат два пси-
хоакустических эффекта. Дело в том, что человеческое ухо не способ-
но различать звуки с громкостью ниже определенного минимума, так
называемого «порога тишины». Кроме того, более тихие звуки «маски-
руются» более громкими. Соответственно, алгоритм MUSICAM обес-
печивает передачу только тех звуков, которые реально различаются
человеком.
В случае воспроизведения пространственного (surround) звука
для передачи шести сигналов звукового сопровождения в отсутст-
вие компрессии потребуется пропускная способность канала, дости-
гаемая 5,18 Мбит/с (48 000 х 18 х 6 = 5,18 Мбит/с, где 18 кГц - час-
тота дискретизации звуковых сигналов, 18 бит - разрядность кван-
тования). По протоколу для передачи звукового сопровождения
предусмотрен канал с пропускной способностью 384 кбит/с. В дан-
ном случае требуемый коэффициент сжатия, равный 13, сможет
обеспечить цифровая система компрессирования Dolby АС-3, осно-7
ванная на спектральном анализе звуковых сигналов и удалении
частотных компонент, не слышимых человеком. >
б. Формирование телевизионного сигнала 163
6.4.2. Компрессия видеоданных
Телевизионный сигнал, как известно, избыточен, что обусловле-
но значительной избыточностью изображений, типичных для теле-
визионного вещания. В общем случае большая часть изображения
любого телевизионного кадра обычно приходится на участки;
имеющие постоянную или мало меняющуюся в пространстве яр-
кость, а резкие световые переходы и детали малых размеров зани-
мают небольшую долю площади изображения. Коэффициент кор-
реляции соседних элементов изображения, описывающий статисти-
ческую связь между яркостями этих элементов, близок к 1. Зная яр-
кость одного элемента, можно с высокой степенью вероятности
предсказать яркость соседнего, например, полагая их просто равны-
ми. Такого рода избыточность можно назвать пространственной из-
быточностью изображения.
Изображения соседних кадров в телевидении обычно очень по-
хожи друг на Друга, даже при показе движущихся объектов. Перехо-
ды от сюжета к сюжету встречаются редко. Межкадровая разность
на значительной части площади изображения обычно близка к ну-
лю. Зная распределение яркости в одном кадре, можно с высокой
степенью уверенности предсказать распределение яркости сле-
дующего кадра. Эта предсказуемость указывает на временную из-
быточность изображения.
Пространственная и временная формы избыточности связаны со
статистическими свойствами телевизионных изображений.
Таким образом, в телевидении различают статистическую избы-
точность, избыточность по восприятию, структурную и спектральную
избыточность. По теории вероятностей избыточность является
следствием определенных корреляционных связей. Корреляция
означает, что некоторый элемент изображения более или менее
существенно зависит от соседей в пространстве и во времени. Под
статистической избыточностью понимают корреляционные связи
между соседними (по вертикали и горизонтали) отсчетами телеви-
зионного сигнала. Необходимо подчеркнуть, что снижение избыточ-
ности в этом случае до определенных пределов обратимо, т.е. без
потерь информации. Примером такого «беспроигрышного» кодиро-
вания служит предсказание на основе ДКП. Можно назвать и другие
разностные методы.
Избыточность по восприятию связана с особенностями зрения
человека. Например, цветовое разрешение нашего зрения ниже яр-
костного. Эта особенность учтена во всех стандартных аналоговых
системах цветового кодирования. В совместимых системах веща-
тельного телевидения NTSC, PAL и SECAM цветовое разрешение
11*
164
Основы радиосвязи и телевидения
существенно понижено по отношению к яркостному. То же самое
зафиксировано в цифровом стандарте 4:2:2, где, по определению,
две цветоразностные компоненты представлены таким же по объе-
му информационным массивом, что и один яркостный сигнал.
Учитывая эту особенность нашего зрения по восприятию мелких
деталей цветного изображения, можно в несколько раз сократить
полосу частот при передаче и кодировании сигналов цветности.
Структурная избыточность - итог особенностей стандарта раз-
ложения или, по иному, преобразования изображения в телевизи-
онный сигнал. В нем, например, периодически передаются неиз-
менные по форме элементы сигнала: гасящие импульсы строк
и полей. В цифровом телевизионном сигнале нет необходимости пе-
редавать эти импульсы по каналу связи, так как они могут быть вос-
становлены в декодере по опорным сигналам синхронизации. В циф-
ровом телевидении достаточно передавать только активную часть
изображения. В цифровом стандарте 4:2:2 при 10 битах на отсчет
устранение из состава цифрового телевизионного сигнала гасящих
импульсов строк и полей сокращает скорость передачи данных
с 270 Мбит/с до 207 Мбит/с, т.е. примерно на 23%. Естественно, эта
особенность сигнала учтена в стандарте MPEG-2.
Спектральная избыточность проявляется как результат излишка
высокой частоты дискретизации. В частности, принятая ортогональ-
ная структура дискретизации телевизионного изображения в общем
случае не является оптимальной в частотном пространстве. Можно
сократить передаваемый цифровой поток, если преобразовать ис-
пользуемую структуру дискретизации в другую, которая характери-
зуется меньшим числом отсчетов в кадре, например, от формата
4:2:2 перейти к формату 4:2:0 или 4:2:1. Используя интерполяцию
и передискретизацию определенным образом выбранных групп от-
счетов телевизионного сигнала, можно, в принципе, видоизменить
спектральный состав и снизить частоту дискретизации. Такая обра-
ботка обычно необратима и, как правило, ведет к некоторому сни-
жению качества восстановленного телевизионного изображения за
счет уменьшения его разрешения. В стандарте MPEG-2 этот вид
избыточности не устраняется.
Итак, в MPEG-2 применены известные, давно апробированные
методы сокращения избыточности. Вместе с ними использованы и
новые подходы. В особенности это относится к совокупности согла-
сованных алгоритмов сокращения статистической избыточности^
Здесь особо эффективными оказались два метода: кодирование
телевизионных отсчетов с предсказанием и ДКП.
Кодирование с предсказанием реализуется с помощью диффе-
ренциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ). При кодирова-
& Формирование телевизионного сигнала
165
нии с предсказанием вычисляется разность между истинным и
предсказанным значением отсчета. Затем разность квантуется по
уровню. От точности предсказания зависит среднее число бит, не-
обходимых для передачи разностной информации. Предсказание
может быть экстраполяционным. В этом случае (его часто называют
предсказанием вперед) по предшествующим значениям отсчетов
телевизионного сигнала оцениваются последующие отсчеты. Ин-
терполяционное (двунаправленное) предсказание означает, что
оценка среднего по положению отсчета телевизионного сигнала вы-
полняется по известным значениям предшествующих и последую-
щих отсчетов. Такое предсказание наиболее точно оценивает теку-
щие отсчеты. Однако за точность приходится расплачиваться воз-
росшим объемом вычислений и соответственно памяти, необходи-
мой при реализации. При этом эффект не окупает затраты.
Как уже отмечалось, предсказание выполняется по соседним с
предсказываемым отсчетам, причем под соседними надо понимать
отсчеты, расположенные «до» и «за» рассматриваемым. К ним надо
добавить соседей в предшествующей и последующей строках, по-
лях и кадрах. Таким образом, возможно построчное, межстрочное,
внутриполевое, внутрикадровое, межполевое, межкадровое пред-
сказание. Это полный набор возможных направлений корреляций.
Но уже подчеркивалось, что предсказание вдоль отдельной строки
по предшествующему и последующему элементу не эффективно. По
этому же критерию можно отсеять и некоторые другие возможные
направления.
При простейшем внутриполевом предсказании вперед предшест-
вующий отсчет телевизионной строки принимается как ожидаемый
уровень последующего отсчета. Фактически это означает вычеркива-
ние постоянной составляющей или, что то же самое, выделение раз-
ностной информации. Такой метод предсказания особенно эффекти-
вен, когда передаются крупные, не содержащие мелких деталей,
фрагменты изображения, где яркость постоянна или изменяется мед-
ленно.
Другой способ - межкадровое предсказание вперед. В этом слу-
чае текущий отсчет оценивается по отсчету с теми же координата-
ми, но предыдущего кадра. Это очень эффективный метод предска-
зания для неподвижных изображений. Ситуация усложняется, когда
изображение содержит движущиеся объекты или изменяющиеся в
целом. В этом случае отсчеты, принадлежащие однозначным эле-
ментам изображения, от кадра к кадру будут смещаться. Возникает
разностная информация, даже если в остальном никаких измене-
ний не происходит. Это можно ослабить, если ввести компенсацию
движения. Для этого необходимо определить векторы перемещения
166
Основы радиосвязи и телевидения
движущихся частей изображения при последовательном переходе от
кадра к кадру. Векторы движения позволяют определить положение
кодируемого отсчета в новом кадре (скомпенсировать его перемеще-
ние) и, таким образом, сохранить высокую точность предсказания.
Таким образом, стандарт MPEG-2 фактически не регламентирует
методы сжатия видеосигнала, а только определяет структуру бито-
вого потока кодируемого видеосигнала. Поэтому конкретно исполь-
зуемые алгоритмы зависят от собственных разработок фирм-
производителей оборудования. При этом ярко выражены общие
принципы построения стандарта MPEG-2, в соответствии с которы-
ми процесс сжатия цифрового видеосигнала может быть разбит на
ряд последовательных операций: преобразование аналогового сиг-
нала в цифровую форму, предварительная обработка, ДКП, кванто-
вание, кодирование (рис. 6.14).
После АЦП производится предварительная обработка сигнала,
которая включает в себя следующие преобразования.
1. Удаление избыточной информации. Например, если фон изо-
бражения состоит из идентичных символов (пикселей), то совершен-
но не обязательно их все передавать. Достаточно описать один пик-
сель и послать его с сообщением о том, как часто и где он повторя-
ется в изображении.
2. Если исходное изображение передается в виде чересстрочных
полей, то они преобразуются в кадры с прогрессивной разверткой,
3. Цветоделенные сигналы ER, Ев, Ев преобразуются в цветораз-
ностные сигналы l/и Уи сигнал яркости Y.
4. Изображение достраивается до кратного 16 количества пиксе-
лей по строкам и столбцам, чтобы обеспечить разбиение изображе-
ния на целое число макроблоков.
5. Производится преобразование стандарта цифрового пред-
ставления телевизионного сигнала 4:4:4 в стандарт 4:2:2 (горизон-
тальная передискретизация цветоразностных компонентов) или
4:2:0 (горизонтальная и вертикальная передискретизации цветораз-
ностных компонентов).
6. Изображение разбивается на последовательность макробло-
ков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из нескольких бло-
ков размером 8x8 пикселей. (Исследования проводились по раз-
биению на блоки размером 4x4, 8x8, 16x16 пикселей, которые по-
казали, что разбиение 8x8 является наилучшим компромиссом ме-
жду точностью преобразования, т.е. минимальной среднеквадрати-
ческой ошибкой, и необходимым объемом вычислений.) В этом слу-
чае каждый блок представляет собой квадратную матрицу, содержа-
щую 64 отсчета телевизионного сигнала и называемую сигнальной.
Аналоговый
видеосигнал
Рис. 6.14. Функциональная схема устройства кодирования с
информационным сжатием по стандарту MPEG-2
6. Формирование телевизионного сигнала 167
168
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 6.15. Схема разбивки изображения на блоки при
реализации формата цветности 4:2:0
Следовательно, макроблок несет информацию о компонентах
яркости определенного участка изображения и пространственно
соответствующих им компонентах цветности. Поэтому любой мак-
роблок состоит из трех прямоугольных матриц, содержащих вось-
мибитовые отсчеты, а именно: матрицы яркости YD и двух матриц
цветности Сг и Сь. Цифровые отсчеты матриц Yo, Сг и Сь непосред-
ственно связаны с первичными значениями красного, зеленого и
синего (R, G, В) соответствующих точек изображения. Значения
первичных цветов гамма-предкорректированы. Причем величина
гамма-коэффициента стандартом не определяется, но обычно на-
ходится в диапазоне 2,2...2,8.
Стандартами цифрового кодирования предусматриваются три
формата цветности, каждому из которых соответствует свой поря-
док следования блоков в макроблоке:
4:2:0 - макроблок состоит из шести блоков. Четыре блока, не-
сущие информацию о яркости, образуют матрицу YD размером
16x16 пикселей. Два блока цветности, определяющие цветоразно-
стные компоненты U и V, соответствуют матрицам Сг и Сь с разме-
рами 8x8 пикселей. Причем матрицы цветности Сг и Сь соответст-
вуют области изображения, покрываемой матрицей яркости YD.
Матрицы Сг и Сь в два раза меньше (как по горизонтали, так и по
вертикали), чем матрица YD. Матрица YD должна иметь четное чис-
ло строк и столбцов (если изображение передается по полям, то
количество строк в изображении должно быть кратно четырем). Ка-
ждой паре отсчетов цветности Сг и Сь соответствует матрица из че-
тырех отсчетов яркости (два по вертикали, два по горизонтали)
(рис. 6.15). Порядок следования блоков в макроблоке формата
цветности 4:2:0 следующий:
Yd Сг Сь
12 5 6
3 4
6. Формирование телевизионного сигнала
169
4:2:2 - макроблок состоит из восьми блоков. Четыре блока яр-
кости образуют матрицу YD. Четыре блока цветности.соответствуют
матрицам Сг и Сь, каждая из которых содержит по два блока. Поря-
док следования блоков в макроблоке в данном случае следующий:
Yd Сг Сь
12 5 6
3 4 7 8
Матрицы цветности Сг и Сь в два раза меньше матрицы яркости YD
по горизонтали и равны по вертикали. Матрица YD должна иметь
четное число строк и столбцов (если изображение передается по
полям, то количество строк в изображении должно быть кратно
двум). Каждой паре отсчетов яркости по горизонтали соответствует
по одному отсчету из матриц цветности Сг и Сь.
4:4:4 - макроблок состоит из двенадцати блоков. Он содержит
четыре блока яркости и восемь блоков цветности в следующем по-
рядке:
Yd Сг Сь
1 2 5 9 6 10
3 4 7 11 8 12
Матрицы цветности СГ и Сь равны по размеру матрице яркости
Yd- Каждому отсчету яркости соответствуют по одному отсчету из
матриц цветности Сг и Сь- Если изображение передается полями
с чересстрочной разверткой, то количество строк в изображении
должно быть кратно двум.
Внутренняя организация макроблоков различна при кодировании
полей и кадров. Пары полей могут кодироваться как раздельно, так
и вместе как единый кадр. При кодировании полей блоки яркости
группируются по полям: верхний - из первого полукадра, нижние -
из второго. Блоки цветности располагаются в порядке следования
кадров для обоих типов кодирования. Два полукадра, составляю-
щие один кадр, всегда следуют один за другим в битовом потоке.
При кодировании кадрами чересстрочных изображений каждый кадр
набирается из двух полукадров (через строку) и кодируется как еди-
ное изображение.
Следующие друг за другом макроблоки объединяют в независи-
мые друг от друга серии (Slice - слайсы). Серия является основным
элементом синхронизации для восстановления данных, состав-
ляющих изображение, и обычно состоит из всех блоков в горизон-
тальном направлении изображения с интервалом 16 строк, т.е. име-
ет толщину в один макроблок. Порядок макроблоков в серии тот же,
что и в обычном сканировании растра в телевидении: слева напра-
во и сверху вниз. Представление информации сериями удобно для
коррекции ошибок. Когда появляется ошибка в потоке данных, де-
170
Основы радиосвязи и телевидения
кодер может обратиться к началу следующей серии. Соответствен-
но число таких серий влияет на эффективность передачи. Каждая
серия (слайс) должна содержать по крайней мере один макроблок.
Первый и последний макроблоки в серии не должны быть пропу-
щенными. Серии не должны перекрываться и не должно быть ин-
тервалов между сериями. Положение серий (слайсов) может ме-
няться от изображения к изображению. Первая серия начинается
с первого макроблока, а последняя серия заканчивается последним
макроблоком изображения. Кадр делится на несколько смежных
серий.
1. Производится разбиение потока кадров изображения по ти-
пам, для них находятся векторы движения, которые необходимы
для повышения предсказуемости величин элементов изображения.
Векторы движения обеспечивают компенсацию перемещений в про-
шедших и последующих кадрах.
2. Для блоков с использованием компенсации движения нахо-
дятся разностные ошибки предсказания движения.
В соответствии со стандартом MPEG-2 в декодере выполняются
декодирование кодов переменной длины, деквантование, обратное
ДКП, компенсация движения и восстанавливается исходная после-
довательность кадров (рис. 6.16).
Декодер содержит буферное запоминающее устройство (БЗУ),
демультиплексор (ДМп), декодеры кодов с переменной длиной ко-
довых слов (ДКПДС), а также деквантователь (ДКв), блок обратного
дискретного косинусного преобразования (ОДКП), предсказатель
(Пред) и ЗУ, аналогичные соответствующим блокам кодера. Такто-
вая частота 27 МГц восстанавливается с использованием данных из
декодируемого потока.
БЗУ на входе декодера выполняет функцию согласования посто-
янной скорости передачи двоичных символов во входном потоке
данных с процессами в декодере, при которых данные из БЗУ счи-
тываются неравномерно во времени. С выходов демультиплексора
кодированные данные изображения и значения параметра кванто-
вания поступают на ДКПДС и далее на деквантователь, а векторы
движения поступают на ДКПДС и далее на предсказатель.
Рис. 6.16. Структурная схема видеодекодера MPEG-2
6. Формирование телевизионного сигнала
171
Так же, как и в кодере, в декодере имеются два режима работы.
При приеме 1-кадров и передаваемых с внутрикадровым кодирова-
нием макроблоков Р-кадров и В-кадров на выходе блока обратного
ДКП формируются блоки изображения. Переключатель на структур-
ной схеме при этом находится в положении 1, и сигнал с блока об-
ратного ДКП направляется на выход. При приеме макроблоков
Р-кадров и В-кадров, кодируемых в межкадровом режиме, переклю-
чатель находится в положении 2. В этом случае формирование вы-
ходного сигнала происходит путем поэлементного сложения посту-
пающих с блока обратного ДКП значений разностей с предсказан-
ным макроблоком, формируемым из элементов ранее декодиро-
ванных изображений с использованием декодированных векторов
движения.
Реализация декодера аппаратными, программными или аппа-
ратно-программными средствами существенно проще, чем реали-
зация кодера, так как в декодере не надо выполнять поиск соответ-
ствующих областей в опорных изображениях, а именно этот поиск
требует наибольшего количества вычислений.
6.4.3. Кодируемые кадры
Базовым объектом кодирования в стандарте MPEG-2 является
кадр телевизионного изображения. При этом очевидно, что для те-
левизионных сигналов, в которых смешаны различные сюжеты с
разными типами движений «от ничего до много» простое предсказа-
ние, в принципе, не обеспечит высокую эффективность. По этой
причине в стандарте MPEG-2 используются три вида предсказаний:
внутрикадровое и межкадровое предсказание вперед с компенсаци-
ей движения, межкадровое двунаправленное предсказание также
с компенсацией движения.
Формат видеоинформации в стандарте MPEG-2 содержит три
типа кадров (1, Р, В) [16].
Основные, так называемые 1-кадры (IntraFrames) обрабатывают-
ся только с применением внутрикадрового предсказания. Они кодиру-
ются независимо от других кадров, так как обрабатываются с исполь-
зованием собственной информации, т.е. по принципу случайного дос-
тупа к сжатым видеоданным. Они применяют кодовое преобразование
блоков элементов изображения и обеспечивают умеренное сжатие.
Это первый этап сжатия видеоданных. Зато при восстановлении те-
левизионного изображения по 1-кадрам оно менее всего деградирует
и зависит от ошибок кодирования и передачи видеоданных по кана-
лу связи. 1-кадры служат опорными при межкадровом предсказании
Р и В кадров.
Основы радиосвязи и телевидения
- - - у
172
Р-кадры (Predicted Frames), т.е. кадры с предсказанием, с ком-
пенсацией движения. Кодирование осуществляется с учетом бли-
жайших предшествующих / или Р-кадров. Этот способ называется с
предсказанием вперед, так как используется «разностная» схема
сжатия, при которой сохраняются только отличия от предшествую-
щего кадра. В Р-кадрах, если сравнивать их с /-кадрами, в три раза
выше достижимая степень сжатия видеоданных.
Обработка видеоданных в Р-кадре выполняется по макроблокам.
Каждый макроблок обрабатывается с использованием алгоритмов
компенсации движения и предсказания вперед, пока в блоке не поя-
вится новый объект. С этого момента процесс кодирования пере-
ключается на алгоритмы, используемые в /-кадрах, т.е. на внутри-
кадровое предсказание. Р-кадры являются опорными для после-
дующих Р или В-кадров. Отметим, что необходима высокая точ-
ность восстановления исходного изображения при декодировании
опорных Р-кадров. Дело в том, что ошибки опорного кадра распре-
деляются по всем кадрам, связанным с опорным.
При компенсации движения, применяемой к макроблокам Р-
кадров, вырабатывается два вида информации: векторы движения
(разница между базовыми и кодированными макроблоками) и зна-
чения ошибок (разница между предсказанными величинами и дей-
ствительными результатами). Если макроблок в Р-кадре не может
быть описан с использованием компенсации движения, что случает-
ся при появлении некоторого неизвестного объекта, то он кодирует-
ся тем же способом, что и макроблок в /-кадре.
В-кадры (Bi-Directional Frames), т.е. кадры с двунаправленным
предсказанием, с компенсацией движения. Для формирования
В-кадров также используется «разностная» схема сжатия аналогич-
но Р-кадрам, однако, в качестве «базовых» кадров используются
оба соседних кадра: предыдущий и последующий. Этот способ на-
зывается двунаправленным предсказанием.
Алгоритмы кодирования В-кадров зависят от характера телеви-
зионного изображения. Предусмотрено четыре способа кодирова-
ния. В одном применяется компенсация движения и предсказание
вперед по ближайшим предшествующим опорным / или Р-кадрам, в
другом - компенсация движения и обратное предсказание по бли-
жайшим последующим / или Р-кадрам. Обратное предсказание ис-
пользуется в тех случаях, когда-в кодируемом В-кадре появляются
новые объекты изображения. Третий алгоритм - компенсация движе-*
ния и двунаправленное предсказание, при котором опорными явля-!
ются предшествующий или последующий / или Р-кадры. И, наконец;
это внутрикадровое предсказание без компенсации движения. Такое5
кодирование нужно при резкой смене передаваемых сюжетов, а
6. Формирование телевизионного сигнала
173
также при больших скоростях перемещения объектов телевизион-
ного изображения. С S-кадрами связано наиболее глубокое сжатие
видеоданных. Поскольку высокая степень сжатия снижает точность
восстановления исходного телевизионного изображения, В-кадры не
используются в качестве опорных. Ошибки при их декодировании не
распределяются по другим кадрам.
Очевидно, что точность кодирования должна быть максимальной
для /-кадров, ниже для Р-кадров и минимальной для В-кадров.
В стандарте MPEG-2 порядок записи информации о телевизион-
ных кадрах не совпадает с порядком кодирования и декодирования.
Так, для декодирования текущего В-кадра требуется обработать
следующий кадр, поэтому необходимо иметь дополнительный бу-
ферный блок памяти в декодирующем устройстве для хранения ин-
формации об очередном кадре. Рассмотренное усложнение декоди-
рующего устройства компенсируется улучшением субъективного ка-
чества воспроизводимого изображения за счет В-кадров на 20%.
Изображения различных типов объединяются в повторяющиеся
серии, называемые группами видеокадров (ГВК). Порядок кодирова-
ния, декодирования и воспроизведения видеокадров указанных трех
типов может быть различным. Для примера на рис. 6.17 изображен
один из вариантов сочетания видеокадров, обеспечивающих мини-
мизацию энтропии, т.е. количества битов на элемент изображения.
Группа начинается с изображения типа /, образующего опорный сиг-
нал для предсказания при кодировании изображений других типов.
Группа изображений должна быть достаточно большой, если необ-
ходимо добиться высокой степени компрессии. ГВК заканчивается
непосредственно перед появлением следующего /-кадра. ГВК опре-
деляет границы межкадрового кодирования. Многочисленные ис-
следования эффективности различных сочетаний Р и В-кадров
в ГВК показали, что последовательности длинных ГВК целесооб-
разно использовать только для высококачественных незашумлен-
ных изображений. Однако большое число В-кадров означает значи-
тельную задержку, так как / или Р-кадры, окружающие кадры В-типа,
уже должны быть в декодере к моменту декодирования В-кадра.
В начале каждого сюжета должен стоять /-кадр, в конце - Р-кадр.
Увеличивать долю В-кадров можно только в рамках одного сюжета,
иначе возникнут большие ошибки предсказания и компенсации дви-
жения. Поскольку типичная длительность группы кадров (во вре-
менном представлении - примерно 0,5 с) значительно меньше ха-
рактерного расстояния между границами сюжетов, то в большинст-
ве случаев жесткое задание структуры ГВК не приводит к сущест-
венным визуальным ошибкам из-за того, что смена сюжета попада-
ет внутрь группы кадров [17].
174
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 6.17. Цикл кодирования и декодирования по стандарту MPEG:
а - порядок кодирования и декодирования изображений;
б - порядок воспроизведения изображений
При передаче по каналу связи порядок следования /, Р и В-
кадров меняется.
6.4.4. Компенсация движения
Точность предсказания при передаче изображений движущихся
объектов можно увеличить за счет оценки вектора движения и ком-
пенсации этого движения, которая уменьшает ошибку предсказа-
ния.
В стандарте MPEG-2 используется метод компенсации движения,
основанный на макроблоках. Два смежных кадра, содержащих только
активные строки сигнала яркости (576 активных строк), разбиваются
на макроблоки и более крупные зоны поиска. Размеры макроблока
должны быть согласованы со структурой дискретизации кадра теле-
визионного изображения. В стандарте MPEG-2 телевизионный кадр
разбивается на целое число зон. По вертикали (576 активных
строк/16)- это 36 зон, по горизонтали (704 активных отсчета/16)-
44 зоны.
6. Формирование телевизионного сигнала
175
Зона поиска должна быть достаточно большой, чтобы быстро
движущийся макроблок изображения первого кадра не вышел из
зоны поиска второго кадра. Размеры зоны поиска ограничиваются
объемом вычислений, которые необходимо выполнить в реальном
масштабе времени. Эти размеры также должны быть согласованы с
принятой структурой дискретизации телевизионного кадра. Обычно,
они в 4 раза больше размеров отдельного макроблока. Иными сло-
вами, размеры зоны поиска - это 64x64. Таким образом, в телеви-
зионном кадре создается 576/64 = 9 зон поиска по вертикали и
704/64 = 11 зон по горизонтали.
К примеру, надо определить координаты движения при предска-
зании вперед. Для этого берется макроблок отсчетов первого кадра
и ищется его новое положение в зоне поиска второго кадра, вычис-
ляются межкадровые разности отсчетов. Положение макроблока,
при котором суммарное значение модулей межкадровых разностей
макроблока получается наименьшим, принимается за его реальное
перемещение, после чего координаты вектора движения рассчиты-
ваются как смещение макроблока по вертикали и горизонтали отно-
сительно его начального положения.
Компенсация движения, применяемая при компрессии Р- и В-
кадров, улучшает фактор сжатия в 3 раза по сравнению с внутри-
кадровым кодированием, где сохраняется временная избыточность.
Компенсация движения, примененная К макроблокам S-кадра,
осуществляется с использованием как предшествующего, так и по-
следующего опорного кадра.
Кодирование по стандарту MPEG-2 требует запоминания одного
или двух кадров опорного макроблока, обеспечивающего данные для
предсказания с компенсацией движения. Большой объем компьютер-
ных вычислений занимает поиск и оценка движения для подбора мак-
роблоков в двух кадрах, чтобы найти направление и расстояние, оп-
ределяющие движение макро'блока между кадрами, т.е. вектор дви-
жения.
Определяемый вектор движения используется для предсказания
с компенсацией движения. В кодере вычисляется ошибка предска-
зания, т.е. разность между фактическим и предсказанным с исполь-
зованием вектора движения блоками изображения, что сокращает
временную избыточность. Ошибка предсказания подвергается ДКП,
квантуется и кодируется в кодере с переменной длиной слова. Та-
кой процесс уменьшает и временную, и пространственную, и пси-
хофизическую избыточность. Вектор движения также кодируется
Словами переменной длины. Кодированная ошибка предсказания
объединяется с кодами вектора движения, после чего формиру-
ется передаваемый цифровой поток.
176
Основы радиосвязи и телевидения
Чем быстрее движутся снимаемые объекты, тем больше отли-
чаются текущий макроблок и опорный макроблок из предыдущего
кадра и тем больше данных об ошибке предсказания должно быть
передано, а это снижает эффективность компрессии. Компенсация
движения при формировании предсказания уменьшает ошибку
предсказания, которая на практике не может быть сведена к нулю.
Этому мешают и изменения размеров движущегося объекта, его
поворот, неточности в определении вектора движения и т.п. Однако
предсказание с компенсацией движения позволяет значительно по-
высить эффективность ДИКМ при видеокомпрессии.
В декодере выполняется инверсное квантование, инверсное
ДКП, в результате чего формируется ошибка предсказания. Ошибка
предсказания складывается с декодированным изображением пре-
дыдущего кадра, образуя декодированное изображение текущего
кадра.
Предсказатели с компенсацией движения в современных систе-
мах видеокомпрессии стандарта MPEG-2 могут использовать целый
ряд методов. Например, макроблок может предсказываться на ос-
нове предыдущего изображения, на основе последующего изобра-
жения, а также на основе и предыдущего, и последующего. В черес-
строчных системах поля одного кадра могут предсказываться раз-
дельно с использованием разных векторов движения или вместе
с использованием общего вектора. Существует также возможность
нулевого предсказания (если не найден подходящий опорный мак-
роблок). При этом сам текущий макроблок будет кодироваться вме-
сто ошибки предсказания, что означает отказ от межкадрового ко-
дирования и переход к внутрикадровому. Для каждого текущего
макроблока кодер выбирает метод предсказания, обеспечивающий
наивысшее качество декодированного изображения с учетом огра-
ничений на скорость передачи данных. Сведения о методе предска-
зания включаются в общий поток и передаются декодеру для верно-
го восстановления изображения.
Оценка вектора движения и определение наилучшей стратегии
предсказания требуют применения сложных вычислительных про-
цедур, которые должны осуществляться в реальном времени. По-
этому кодер гораздо сложнее декодера, т.е. в стандарте MPEG-2
система компрессии на базе ДИКМ с компенсацией движения явля-
ется асимметричной.
6.4.5. Использование ДКП в стандарте кодирования MPEG-2
Цель внутрикадрового кодирования - сокращение пространст-
венной избыточности в пределах кадра (или поля) телевизионного
6. Формирование телевизионного сигнала
177
изображения. Эта избыточность вызвана сильными корреляцион-
ными связями между элементами изображения. Если найти соот-
ветствующее ортогональное преобразование, то можно преобразо-
вать массив отсчетов изображения в матрицу коэффициентов, ко-
торые уже не будут коррелированны друг с другом. К этим некорре-
лированным коэффициентам можно применить энтропийное коди-
рование и добиться сокращения цифрового потока. Наиболее часто
используются методы линейных ортогональных преобразований.
Линейность ортогонального преобразования означает, что операции
сложения, вычитания и умножения на скаляр действительны и по-
сле преобразования, а ортогональность - что преобразуемый
фрагмент представляется ограниченным набором ортогональных
функций.
Линейные ортогональные преобразования характеризуются тем,
что между элементами изображения устраняются статистические
зависимости и распределение энергии в преобразованном спек-
тральном фрагменте является неравномерным. Эти особенности
используются непосредственно в процессах кодирования. На прак-
тике можно подобрать такое ортогональное преобразование, что
для типичных изображений большая часть коэффициентов матрицы
будет иметь практически нулевые значения. Исключая эти нулевые
коэффициенты, можно также сокращать цифровой поток. Среди
возможных ортогональных преобразований наиболее широко ис-
пользуется ДКП, основанное на применении ортогональной системы
дискретных косинусных функций возрастающей частоты. Преобра-
зования данного типа хорошо согласуются с параметрами телеви-
зионного сигнала, что является необходимым условием эффектив-
ного кодирования видеоинформации.
Стандарт MPEG-2 подразумевает применение ДКП составляющих
видеосигнала. Например, ДКП действительной последовательности
отсчетов х(п) при п = 0,1,.... N^~ 1 определяется соотношением
W-1
Хс О) = (l/V/V)^c(/r)x(n)cos[(2n + 1)/rn/2A/],
п=0 ,
, , i . ч [1 при к=О
где коэффициенты с(/с) = |2 п£и к = д 2..д/_1
Обратное ДКП, восстанавливающее исходную последователь-
ность отсчетов по последовательности коэффициентов преобразо-
вания Хс (к), задается выражением
_1 N-1
х(л) = (V/v) £c(k)Xc (/r)cos[(2n + 1)kn/2/\/],
к=0
где к = 0, 1..N - 1.
12 — 6973
178 Основы радиосвязи и телевидения
ДКП сокращает избыточность и высокочастотную информацию
в пределах кадра. Это позволяет получить высокое качество коди-
рованных изображений с сжатием.
ДКП выполняется поблочно, для чего телевизионное изображе-
ние разбивается на блоки. При этом в телевизионном кадре созда-
ется: 576/8 = 72 зоны по вертикали и 704/8 = 88 зон по горизонтали,
что в общей сложности дает 72x88 = 6336 блоков, подлежащих
ДКП в реальном масштабе времени. В результате ДКП исходная
сигнальная матрица 8 х 8 = 64 телевизионных отсчетов преобразует-
ся в матрицу частотных коэффициентов ДКП такого же размера 8x8 =
= 64.
Каждый коэффициент характеризует амплитуду определенной
частотной составляющей кадра, причем коэффициенты в матрице
располагаются по возрастанию частот в вертикальном и горизон-
тальном направлениях.
Поскольку положение телевизионных отсчетов сигнальной мат-
рицы определяется двумя координатами, то частотные коэффици-
енты матрицы ДКП являются функциями этих двух переменных.
Следует отметить, что матрица частотных коэффициентов ДКП уже
не имеет прямой геометрической связи с положением отсчетов те-
левизионного сигнала на телевизионном растре, а представляет
собой только удобную форму математической записи, при которой
частотные коэффициенты ДКП можно трактовать как двумерный
спектр телевизионного изображения в горизонтальном и вертикаль-
ном направлениях телевизионного кадра.
При этом справедливо и обратное положение - знание матрицы
коэффициентов, т.е. значений амплитуд базисных косинусоидаль-
ных функций разных частот, позволяет сформировать блок элемен-
тов изображения (сигнальную матрицу). Таким образом, ДКП явля-
ется обратимым.
Спектр ДКП имеет очень важную, если ее оценивать с позиций
компрессии видеоданных, особенность: для большинства блоков
типичных изображений основная энергия частотных составляющих
этого спектра концентрируется в нёбольшой области около нулевых
частот. Например, постоянная составляющая и несколько низкочас-
тотных базисных функций, имеющих значимые величины, отобра-
жаются совокупностью коэффициентов ДКП в левом верхнем углу
матрицы. Амплитуда высокочастотных составляющих или мала, или
просто равна нулю, поэтому их потеря почти не сказывается на ка-
честве изображения. Передаче подлежат только те частотные ко-
эффициенты матрицы ДКП, величины которых превышают принятые
пороговые значения, коэффициенты ниже порогового значения счи-
таются нулевыми, что и приводит к желаемой компрессии.
6. Формирование телевизионного сигнала
179
Введение пороговой (нелинейной) обработки, строго говоря, ве-
дет к потерям информации и, соответственно, к снижению качества
восстановленного в декодере телевизионного изображения. Однако
при разумном выборе величины пороге это ухудшение окажется
практически незаметным или же допустимым.
Следует отметить, что при внутрикадровом кодировании дина-
мический интервал коэффициентов ДКП возрастает в 8 раз. Так,
при уровневом кодировании видеосигнала восемью битами его ди-
намический интервал равен 0-250 дискретных уровней. При этом
динамический интервал коэффициентов спектра ДКП составит от 0
до 2040 и от -1020 до +1020 дискретных уровней для коэффициен-
тов постоянной и переменных составляющих ДКП, соответственно.
Вычисление коэффициентов ДКП с большей точностью, чем
имеют значения отсчеты яркости изображения, объясняется необ-
ходимостью пренебречь ошибками их определения для исключения
возможных неточностей при ДКП.
Кодирование коэффициентов ДКП в таком широком динамическом
интервале потребует в последующих узлах кодера перехода от
8-битового к 11-битовому коду. Чтобы избежать этого, после ДКП про-
изводится масштабирование (сжатие) динамического интервала сиг-
налов коэффициентов ДКП за счет увеличения шага квантования
в 8 раз. Эта операция сводится к делению полученных в матрице зна-
чений коэффициентов ДКП на 8. Результат деления затем округляет-
ся до ближайших целых значений уровней новой шкалы квантования.
Так, например, если исходное значение коэффициента ДКП было 22,
то после деления на 8 и округления до ближайшего целого значения
(22/8 = 2,75) новое значение будет 3. При этом новый динамический
интервал составит от -255 до +255 дискретных уровней.
В обычной ИКМ уменьшение разрядности приводит к возрастанию
шумов квантования на всех частотах. Коэффициенты ДКП определяют
энергию сигнала на различных-частотах, поэтому появляется возмож-
ность изменять параметры квантования дифференцировано на раз-
ных частотах, учитывая различную чувствительность зрения к раз-
ным пространственным частотам.
Коэффициент, соответствующий постоянной составляющей те-
левизионного сигнала, кодируется с использованием 10 бит, потому
что при более грубом квантовании соседние блоки начинают отли-
чаться по яркости. На экране они проявляются в виде шахматной
структуры.
На предельно большое число уровней квантуются и амплитуды
нескольких самых низкочастотных косинусоидальных волн, распола-
гающихся в левом верхнем углу блока ДКП. По мере увеличения час-
тоты косинусоидальных компонент (при удалении от левого верхнего
12
180
Основы радиосвязи и телевидения.
угла блока ДКП) количество уровней квантования уменьшается, дос-,
тигая для самых больших частот значений в несколько единиц. На-
пример, самая высокочастотная компонента, располагающаяся в
правом нижнем углу, может квантоваться всего на два уровня. Это
означает, что для ее передачи можно использовать одноразрядные
двоичные числа.
Практически квантование выполняется путем поэлементного
деления матрицы коэффициентов ДКП на матрицу квантования
(взвешивания), значения элементов которой возрастают по мере
удаления от левого верхнего угла и приближения к правому ниж-
нему углу. При этом важно отметить, что для квантования сигна-
ла яркости и цветоразностных сигналов используются разные
матрицы. Построчные матрицы квантования могут задаваться
кодером, но по умолчанию стандарт MPEG-2 предполагает ис-
пользование следующей эффективной матрицы (табл. 6.4) [12].
Таблица 6.4. Матрица квантования яркостного сигнала для блоков
изображений /-кадров
8 16 19 22 26 27 29 34
16 16 22 24 27 29 34 37
19 22 26 27 29 34 34 38
22 22 26 27 29 34 37 40
22 26 27 29 32 35 40 48
26 27 29 32 35 40 48 58
26 27 29 34 38 46 56 69
27 29 35 38 46 56 69 . 83
При декодировании на приемной стороне коэффициенты матри-
цы ДКП, значения которых были переданы по каналам связи, умно-
жаются на элементы матрицы квантования, что восстанавливает
верные значения коэффициентов, но с ошибкой округления, значе-
ние которой мало для низкочастотных компонентов блока отсчетов
изображения, но велико для высокочастотных.
Массив коэффициентов, извлекаемых из матрицы ДКП, содержит
некоторое количество нулевых значений. Для того, чтобы способст-
вовать объединению нулевых элементов в группы и преобразова-
нию в одномерную последовательность, используется зигзагообраз-
ное сканирование матрицы, начиная с левого верхнего угла.
В этом случае коэффициенты выстраиваются в порядке возрастания
частот, причем если пространственные частоты одинаковы, то впе-
реди следуют коэффициенты для меньших вертикальных частот.
6. Формирование телевизионного сигнала
181
Зигзаг-сканирование (z-упорядочивание) позволяет сгруппировать,
самый большой массив нулевых коэффициентов, обычно распола-
гающийся в правой нижней части блока ДКП.
Примером преобразования стандартной сигнальной матрицы
8x8 пикселей может служить процесс ДКП, квантования и зигзаго-
образного сканирования, графически представленный на рис. 6.18.
Последний алгоритм сокращения избыточности связан с кодами,
образующими комбинации переменной длительности. При этом те ко-
эффициенты ДКП, которые повторяются наиболее часто, кодируются
короткими Кодовыми комбинациями, а редкие значения коэффициен-
тов - более длинными.
Для экономного представления двоичных сообщений в стандар-
те MPEG-2 используется код Хаффмана, позволяющий практически
в 1,22 раза сократить поток данных по сравнению с равномерным
кодированием. При кодировании символов сообщения комбинация-
ми переменной длины обычно возникает проблема отделения од-
ной комбинации от другой. Код Хаффмана обладает свойством пре-
фиксности, т.е. ни одна его кодовая комбинация не является началом
другой комбинации, что позволяет обойтись в тексте кодированного
сообщения без разделителей между комбинациями.
Энтропийный кодер в устройстве кодирования с информацион-
ным сжатием MPEG-2 должен иметь многокадровый буферный на-
копитель, в котором происходит накопление данных для их опти-
мального использования. Например, в случае, если содержание
изображения изменяется с очень большой интенсивностью, воз-
можно изменение скорости передачи данных для сохранения соот-
ветствующего качества изображения. Однако на практике при пере-
даче и распределении телевизионных программ колебания скорости
12 17 15 8 3 11 1 10
15 8 12 11 6 4 10 1
6 1 10 5 8 12 4 8
11 12 15 5 4 10 б 7
11 14 11 2 8 9 3 б
14 7 11 13 2 6 9 б
13 18 15 11 6 1 б 6
и 6 8 10 4 10 5 9
11 12 8 1 1 0,3 0,2 0,1
12 4,5 1,1 1,4 0,2 0,2 0,3 0,4
4 1,2 1,1 0,5 0,1 0,4 од 0,2
1 0,3 0,4 1,1 0,4 0,2 0,4 од
од 0,1 1 0,3 0,2 0,4 0,2 0,2
0,2 0,1 0,2 0,3 0,2 о,з 0,1 0,1
0,4 0,1 0,5 0,4 0,3 0,3 0,2 од
0,2 0,3 о,1 0,3 0,2 0/ 0,2 0,2
11,12.12,4ЛА1.1.1.1.0,0.1.1,1,0.0.0.0.0.0.0,0.1.1,0.0.0.0.0.0,0,0,0.0,0.0.0,0.0,0.0.0.0.0.0,0.0,0.0,0,0.0.0.0.0,0,0.0.0.0,0.0.0
Рис. 6.18. Графическое представление процесса ДКП,
квантования и зигзагообразного сканирования в
аппаратуре кодирования по стандарту MPEG-2
д 82 Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 6.19. Графическое представление структуры
декодирования в декодерах MPEG-2
передачи данных могут быть недопустимы. В этом случае использу-
ется режим работы энтропийного кодера, при котором обеспечива-
ется фиксированная скорость выходного потока данных. Для чего
данные заносятся в буферный накопитель с переменной скоростью,
а считываются с постоянной. Для предотвращения переполнения
буферного накопителя или полного стирания информации в нем,
что может привести к сбоям в работе системы видеокомпрессии,
используется адаптивное квантование. Сведения о степени запол-
нения буферной памяти служат сигналом управления, регулирую-
щим шкалу квантования. Если, например, кодируемое изображение
характеризуется высокой детальностью, то число ненулевых эле-
ментов матриц коэффициентов ДКП увеличивается. Возрастает
и объем передаваемых данных, поэтому буферный накопитель за-
полняется с повышенной скоростью. Благодаря обратной связи (че-
рез регулятор скорости потока данных, см. рис. 6.14) квантование
становится более грубым и скорость поступления данных в буфер-
ную память уменьшается, но за счет увеличения шумов квантова-
ния и ухудшения качества изображения. Если кодируется простое
по структуре изображение с малой детальностью, то число нулевых
элементов сигнальных матриц коэффициентов ДКП увеличивается
и скорость поступления данных в буферную память снижается по
сравнению со средней величиной. Тогда квантование становится
менее грубым (большое число коэффициентов ДКП квантуется на
максимальное число уровней). Таким образом скорость заполнения
буферного накопителя в среднем поддерживается на постоянном
уровне.
6. Формирование телевизионного сигнала
183
На приемном конце упрощенная структура декодирования гра-
фически может быть представлена рис. 6.19.
6.4.6. Формирование транспортного потока данных
в устройствах кодирования MPEG-2
Структура транспортного потока. Системная часть стандарта
MPEG-2 регламентирует порядок формирования единого (транс-
портного) потока данных из множества элементарных потоков.
Обобщенная функциональная схема образования транспортного
потока данных методом мультиплексирования одного видео и одно-
го звукового элементарных потоков иллюстрируется рис. 6.20. Из
рисунка видно, что после сжатия звуковой и видеоинформации на
выходах соответствующих кодеров формируются элементарные
потоки (ES - Elementary Stream) данных. Каждый из элементарных
потоков поступает на вход соответствующего формирователя паке-
тированного элементарного потока (PES - Packetized Elementary
Stream). В результате на его выходе образуется разделенная во
времени последовательность пакетов. Причем любой PES-пакет
содержит кодированные байты только одного элементарного потока
данных. PES-пакеты состоят из заголовка и следующего за ним па-
кета данных переменной длины (достаточно большой - до 64
кбайт). Длина PES-пакетов не фиксируется стандартом, так как дан-
ные пакеты не предназначены для использования в качестве само-
стоятельной единицы. Заголовок PES-пакетов начинается со стар-
тового кода объемом три байта, затем следует код идентификации
объемом в один байт, который обеспечивает распознавание до 16
видео- и 32 аудиопрограмм. Причем каждая из этих 48 программ
может иметь «данные пользователя». Эта информация предназна-
чена для обеспечения адресуемости потока данных. Кроме того,
заголовок PES-пакетов можегсодержать метки времени декодиро-
Рис. 6.20. Функциональная схема формирователя транспортного
потока данных в устройствах кодирования MPEG-2
184
Основы радиосвязи и телевидения
вания и/или воспроизведения, а также ряд флагов, несущих инфор-
мацию о зашифрованное™ сигнала, о дополнительной коррекции
ошибок.
Из всех подаваемых на вход мультиплексора PES-пакетов, соот-
ветствующих, например, телевизионным сигналам нескольких про-
грамм, формируется транспортный поток данных. Кроме PES-
пакетов, на мультиплексор, образующий транспортный поток, пода-
ются сигналы синхронизации в виде временных меток и различные
другие цифровые данные, например, телетекст, коды доступа и т.д.
Транспортный поток предназначен для использования в устройст-
вах хранения информации, в системах передачи, т.е. в средах с ве-
роятностным воздействием шумов, с возможностью возникновения
потерь. Пакеты транспортного потока имеют фиксированную длину
в 188 байт, из которых 4 байта выделяются на заголовок и 184 бай-
та - на полезные данные. Это могут быть видео- или звукоданные,
данные пользователя или пустые байты (1111 1111), называемые
стаффингом. Каждый пакет переносит данные только одного вида.
Размер пакета транспортного потока выбран для совместимости с
широко применяемым на сетях связи стандартом асинхронной пере-
дачи данных ATM. Ячейка ATM имеет длину 53 байта, из которых по-
лезных - 47 байт (с учетом одного байта на уровень адаптации). Сле-
довательно, один транспортный пакет MPEG-2 длиной 188 байт упако-
вывается в 4 пакета ATM. Структура заголовка пакета транспортного
потока MPEG-2 показана на рис. 6.21 [18].
Первый байт заголовка - байт синхронизации - содержит заре-
зервированное кодовое число 0x47, легко опознаваемое демульти-
плексором. Так как заголовки транспортных пакетов следуют с ин-
тервалом в 188 байт, то это упрощает определение начала пакета.
Далее идут три однобитовых флага (ошибки передачи, начала паке-
та PES и приоритетной передачи) и 13-битовый идентификатор типа
Рис. 6.21. Структура заголовка пакета транспортного потока MPEG-2
6. Формирование телевизионного сигнала
185
пакета PID (Packet IDentifier), указывающий на принадлежность па-,
кета тому или иному потоку данных, т.е. он опознает пакеты, при-
надлежащие одному элементарному потоку. PID служит основным
признаком, по которому демультиплексор сортирует приходящие
PES-пакеты на приемной стороне. Из общего числа 8192 возможных
значений PID 16 выделены на общесистемные цели, номер 8191
закреплен за стаффинговыми байтами, остальные могут назначать-
ся пользователями произвольно для отдельных компонент своих
программ.
Еще один байт в заголовке транспортного потока содержит три
необходимых указателя:
- двухбитовый указатель скремблирования - свидетельствует о
наличии или отсутствии скремблирования транспортного потока;
- двухбитовый индикатор наличия полей адаптации в нагрузке
транспортного пакета.
Поле адаптации занимает часть области полезных данных и слу-
жит для ввода управляющих и вспомогательных сигналов, переда-
ваемых не в каждом транспортном пакете. Поле адаптации может
также использоваться для передачи данных пользователя, в этом
случае оно разбивается на секции.
Значение указателя наличия полей адаптации 0x1 означает, что
поле адаптации отсутствует и в пакете транспортного потока пере-
даются данные видео или звука; 0x2 присваивается пакету, в кото-
ром часть области полярных данных занимает поле адаптации, ос-
тальное занято стаффингом; индикатор, установленный на 0x3,
свидетельствует об одновременном наличии и поля адаптации, и
полезных данных. Отметим, что заголовки пакета транспортного
потока и поля адаптации не скремблируются.
Четырехбитовый счетчик непрерывности PES-пакетов увеличива-
ет свое значение на единицу при поступлении каждого следующего
PES-пакета с данным PID и обнуляется после каждого 15-20 пакета.
Он позволяет декодеру обнаруживать потерю PES-пакета и прини-
мать меры по его замене или к маскированию ошибок, которые мо-
гут возникнуть из-за его потери.
Область полезных данных пакета транспортного потока значи-
тельно меньше, чем обычная длина PES-пакета, поэтому последний
для укладки в транспортные пакеты должен разрезаться. Стандарт
определяет, что первый байт PES-пакета должен обязательно сов-
падать с первым байтом области полезных данных пакета транс-
портного потока, а конец PES-пакета - с концом одного из последую-
щих транспортных пакетов. В случае, если данные одного PES-пакета
заканчиваются в середине пакета транспортного потока, то оставшее-
ся место заполняется байтами дополнительной информации.
186
Основы радиосвязи и телевидения
EZ Элементарный поток
PES-пакет а) Заголовок PES-пакета /
Пакет транспортного * потока (188 байт) * б) Заголовок пакета транспортного потока /
в)
Рис. 6.22. Структура потоков данных в устройствах кодирования MPEG-2
Структуры элементарного потока данных (а), PES-пакетов (б) и
пакетов транспортного потока (в) представлены на рис. 6.22.
Контрольные вопросы
6.1. Поясните осциллограмму полного телевизионного сигнала на строчном
интервале.
6.2. Дайте количественную оценку параметров основных составляющих
полного телеаизионного сигнала.
6.3. Проанализируйте форму телевизионного сигнала на кадровом ин-
тервале.
6.4. Каким способом осуществляется разделение сигналов синхронизации
строк и полей?
6.5. Назовите основные особенности сигналов синхронизации при чересст-
рочной развертке.
6.6. Приведите количественную оценку граничным частотам телевизионно-
го сигнала.
6.7. Охарактеризуйте структуру спектра телевизионного сигнала.
6.8. Сформулируйте основные принципы построения совместимых систем
цветного телевидения.
6.9. Перечислите основные способы обработки видеосигналов в видеоуси-
лительном тракте телевизионных систем.
6.10. Каким образом производится коррекция апертурных искажений видео-
сигналов?
6.11. С какой целью видеосигналы телевизионной камеры подвергаются
электронной цветокоррекции?
6.12. Поясните необходимость коррекции нелинейных искажений видео-
сигналов.
6.13. Как осуществляется гамма-коррекция в современных телевизионных
системах?
6. Формирование телевизионного сигнала
187
6.14. Расскажите о необходимости восстановления средней составляющей,
телевизионного сигнала.
6.15. Какими способами можно реализовать схемы восстановления средней
составляющей телевизионного сигнала?
6.16. В чем заключаются трудности подавления шумов в телевизионном
сигнале?
6.17. Поясните основные принципы работы шумоподавителей, используе-
мых в телевизионных системах.
6.18. Перечислите особенности построения системы цифрового телевиде-
ния.,
6.19. Как производится дискретизация телевизионных сигналов?
6.20. Каким образом осуществляется квантование телевизионных сигна-
лов?
6.21. Дайте краткую характеристику международным стандартам цифрового
преобразования телевизионных сигналов.
6.22. Сформулируйте основные положения Стандарта кодирования MPEG-2.
6.23. Расскажите об особенностях компрессии видеоданных.
6.24. Назовите типы кодируемых кадров в стандарте MPEG-2 и дайте им
краткую характеристику.
6.25. Поясните механизм компенсации движения в стандарте кодирований
MPEG-2.
6.26. Объясните принципы использования ДКП в стандарте кодирования
MPEG-2.
6.27. Как формируется транспортный поток данных в устройствах кодиро-
вания MPEG-2?
7. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ТЕЛЕВИЗИОННОЙ АППАРАТУРЫ
7.1. Обобщенные структурные схемы телецентров
Телецентр представляет собой комплекс радиотехнических
средств, предназначенных для формирования телевизионных про-
грамм и их вещания. По назначению телецентры делятся на про-
граммные и ретрансляционные. Программные телецентры распола-
гают собственными студиями и другими источниками телевизион-
ных программ, они предназначены для создания и трансляции сво-
их телевизионных программ. Ретрансляционные центры собствен-
ных телевизионных программ не создают, а служат для ретрансля-
ции телевизионных сигналов, поступающих по спутниковым, радио-
релейным или кабельным линиям связи. К этой группе относятся
также маломощные телевизионные ретрансляторы, предназначен-
ные для расширения зоны уверенного приема.
ТВ каналы междугородных
линий связи
Спутниковые
ТВ каналы
Рис. 7.1. Обобщенная функциональная схема программных телецентров
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры 189
Обобщенная функциональная схема программных телецентров
представлена на рис. 7.1 [19]. В состав Современных телецентров,
как правило, входят один или несколько аппаратно-студийных бло-
ков (АСБ), аппаратно-программных блоков (АПБ), аппаратные ви-
деомонтажа (АВМ), телекинопроекционная аппаратная, централь-
ная или вещательная аппаратная (ЦА или ВА), блок внестудийного
вещания, приемная аппаратная внешних программ.
Основным технологическим звеном современного программного
телецентра является АСБ, обеспечивающий подготовку передач,
а на ряде телецентров и выдачу телевизионных программ в эфир.
АСБ содержит практически все виды датчиков телевизионного сиг-
нала: студийные телевизионные камеры, телекинопроекторы, диа-
проекторы, датчики универсальных электронных испытательных
таблиц. Перечисленные источники телевизионных сигналов и соот-
ветствующая аппаратура управления, контроля и синхронизации,
а также звуковое, осветительное и прочее оборудование размеще-
ны в телевизионной студии, телекинопроекционной, режиссерской
и технических аппаратных. Кроме собственных датчиков сигналов
в АСБ из центральной аппаратной (ЦА) могут быть предоставлены
несколько телевизионных сигналов от «внешних» источников. Ви-
деомагнитофоны (ВМ) очень часто сосредотачиваются в специали-
зированном блоке записи, в котором осуществляются запись и вос-
произведение магнитофильмов, перезапись, запись с электронным
монтажом и тиражирование.
Весьма важной автономной производственной единицей теле-
центра является АПБ, предназначенный для формирования про-
грамм вещания в целом из отдельных, в основном заранее подго-
товленных фрагментов и трансляции этой программы на радиопе-
редающую станцию или междугородную аппаратную внешних про-
грамм.
ЦА предназначена для-контроля, коммутации и распределения
сигналов телевизионных программ на радиопередатчик и телецен-
тры, транслирующие центральные и создающие собственные про-
граммы. В ЦА коммутируют сигналы из кинопроекционных аппарат-
ных, аппаратных видеомонтажа, приемной аппаратуры внешних
программ, АСБ, АПБ, от собственных датчиков, например, генера-
тора телетекста, устройства показа текущего времени. В ЦА распо-
лагаются рабочий и резервный синхрокомплекты.
Блок внестудийного вещания имеет в своем составе передвиж-
ные телевизионные станции (ПТС), передвижные телевизионные
видеозаписывающие станции (ПТВС), телевизионные журналист-
ские комплекты (ТЖК).
Рис. 7.2. Функциональная схема построения аппаратно-студийного
комплекса аналогового телецентра
190 Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 7.3. Функциональная схема построения канала изображения аналого-цифрового
аппаратно-студийного комплекса
Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
192 Основы радиосвязи и телевидения
Функциональная схема аппаратно-студийного комплекса (АСК)
аналогового телецентра приведена на рис. 7.2 [20]. Особенностью
данной схемы является трехпроводная система, по которой работают
камерная головка и камерный канал. Преобразованный по системе
PAL полный телевизионный сигнал подается в АСБ. Блок спецэф-
фектов непосредственно входит в состав видеоусилительного тракта
АСБ. Монтаж фрагментов телевизионных программ осуществляется
с помощью видеомагнитофонов. Коммутаторы дают возможность
введения в телевизионную программу «внешних» источников и обес-
печивают режим обхода. В АПБ поступает смонтированное звуковое
сопровождение, которое параллельно поступает на выход АСК.
В зависимости от имеющегося оборудования и объема вещания на
некоторых телецентрах могут быть совмещены функции АСБ и АПБ.
Основной недостаток аналоговой технологии - это суммирова-
ние искажений при прохождении телевизионного сигнала по тракту,
при перезаписи фрагментов программ во время монтажа. Карди-
нально улучшить качество телевизионного изображения на отдель-
ных этапах подготовки вещательных программ возможно только за
счет применения цифрового оборудования. Однако для переходно-
го периода развития телевизионного производства с аналоговой на
цифровую технологию характерно объединение в единый техноло-
гический комплекс аналогового и цифрового оборудования. Вариант
построения канала изображения аналого-цифрового АСК показан на
рис. 7.3 [20]. Переход с аналоговой технологии подготовки программ
на цифровую следует начинать с замены аналоговых видеокамер
на цифровые, что позволяет прежде всего обеспечить высокое ка-
чество исходных видеосигналов. В этом случае весь камерный ка-
нал возможно разместить в одной цифровой камере. Цифровыми
могут быть микшеры и коммутаторы, а для создания спецэффектов
целесообразно использовать персональный компьютер (ПК). Анало-
говые монтажные аппаратные с большой эффективностью заменя-
ются системами нелинейного монтажа с накоплением готовых теле-
визионных программ в серверах. К другим важнейшим рекоменда-
циям по оптимальному построению аналого-цифровых телецентров
относится следующее:
- минимизация количества преобразований цифровых телевизи-
онных сигналов в аналоговые и обратно;
- использование цифровых видеомагнитофонов в монтажных ап-'
паратных в качестве рекордеров, так как они позволяют много-
кратно переписывать фрагменты программы практически без по-
тери качества;
- интерфейсы между аналоговым и цифровым оборудованием
должны быть компонентными.
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
193
У телецентров, применяющих аналого-цифровые технологии,
могут возникнуть определенные трудности при ретрансляции теле-
программ, сигналы которых принимаются в системе SECAM. Это свя-
зано с введением в принятые программы собственных новостных
вставок, рекламы и т.д., так как в этом случае требуется преобразо-
вание композитного телевизионного сигнала в компонентную форму,
сопровождающееся неизбежным снижением качества изображения.
Композитный сигнал системы SECAM преобразуется в компонентную
форму при фактическом сокращении полосы частот яркостного сиг-
нала примерно вдвое. Поэтому его преобразование в цифровой по-
ток связано с резким уменьшением четкости телевизионного изобра-
жения. Следовательно, телецентр, имеющий аналого-цифровые тех-
нологии, должен преобразовывать цифровой сигнал в сигнал SECAM
на самом последнем этапе производства телевизионных программ.
Для примера следует отметить, что композитный сигнал системы PAL
достаточно легко разделяется на компонентные составляющие, т.е.
его можно преобразовывать в цифровой поток с минимальными по-
терями в качестве телевизионных изображений.
При полностью цифровых технологиях производства телепро-
грамм обработка телевизионных сигналов, их компрессия и деком-
прессия, коммутация и мультиплексирование происходят в цифро-
вой форме. Передача цифровых сигналов от одного вида оборудо-
вания к другому производится с помощью цифровых интерфейсов.
Перед выдачей цифровых сигналов в эфир в соответствии с ГОСТ
7845 происходит их кодирование в сигналы системы SECAM.
Применение цифровых технологий дает возможность автомати-
зировать выдачу программ в эфир, передавать по одному каналу
несколько программ, а в дальнейшем решить вопросы, связанные с
созданием интерактивного телевидения. На телецентрах с полно-
стью цифровым оборудованием характеристики каналов изображе-
ния и звукового сопровождения, обеспечиваемые на различных
стадиях формирования программ, практически одинаковы. Поэтому
сохраняются одни и те же значения параметров, как отдельных
единиц оборудования, так и выходных параметров тракта в целом.
Возможная конфигурация схемы цифрового АСК, функционально
повторяющая схему аналоговых АСК, изображена на рис. 7.4 [20].
В зависимости от набора оборудования схема допускает совмеще-
ние АСБ и АПБ. Транскодер SECAM установлен на выходе цен-
тральной аппаратной, в результате чего на выходе АСК присутствует
полный цветовой телевизионный сигнал системы SECAM. Соедини-
тельные линии в пределах телецентра - волоконно-оптические. Сиг-
налы внешних программ подаются в ЦА через транскодер и АЦП.
Кодер SECAM установлен после коммутатора обхода.
13-6973
Рис. 7.4. Функциональная схема цифрового аппаратно-студийного комплекса
194 Основы радиосвязи и телевидения
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
195
Особо следует отметить, что для контроля качества изображе-
ния на различных этапах формирования телевизионных программ -
в состав оборудования телецентра любого типа входят видеомони-
торы. Первый этап контроля качества изображения - телевизионная
студия, последний - отдел технического контроля.
7.2. Устройства преобразования изображений
в электрические сигналы
7.2.1. Основные требования к преобразователям
свет-сигнал
В цветном телевидении преобразователь свет-сигнал (передаю-
щая трубка, твердотельная матрица) в основном определяет пара-
метры и качество исходного телевизионного изображения. От типа
преобразователя зависят принцип построения передающей камеры,
способ формирования сигнала, наличие отдельных вспомогательных
узлов. Поэтому важнейшим вопросом при построении передающих
камер цветного телевидения является правильный выбор устройст-
ва, преобразующего оптическое изображение в видеосигнал.
Специфика построения камер цветного телевидения, в которых
в основном применяются несколько преобразователей свет-сигнал,
предъявляет к последним достаточно высокие требования. Рас-
смотрим более подробно эти требования [21].
- Высокая идентичность характеристик преобразователей свет-
сигнал и независимость этих характеристик от передаваемого
сигнала. При различии данного параметра более чем на 2% не
удается обеспечить в камере цветного телевидения динамиче-
ский баланс белого. А
- Возможность получения высокой точности совмещения растров
и их эксплуатационной стабильности. Точность совмещения
должна быть не хуже долей элемента разложения по всему полю
изображения.
- Отсутствие паразитных сигналов и высокая однородность чувст-
вительности по полю растра.
- Высокая чувствительность во всем видимом спектре, что необхо-
димо из-за больших потерь света в оптической системе камеры
цветного телевидения.
- Малая инерционность сигнала и ее идентичность для всех преобразо-
вателей, применяемых в передающей камере. Различие в инерцион-
ности сигналов, при которой остаточный сигнал в преобразователях
отличается более чем на 2%, приводит к разноцветным тянущимся
продолжениям в изображении, что резко снижает его качество.
13*
196
Основы радиосвязи и телевидения
- Способность работать в широком диапазоне освещенностей пе-
редаваемых сцен. -)
- Высокая разрешающая способность.
- Малый уровень собственных шумов в сигнале на выходе, причем
структура шумового рисунка должна быть малозаметной, т.е.
мелкой.
- Малые габариты и простота управления.
7.2.2. Передающие трубки с внутренним фотоэффектом
Первым практически разработанным преобразователем свет-
сигнал с внутренним фотоэффектом была малогабаритная пере-
дающая трубка видикон, в которой применена фотопроводящая
мишень, изготовленная из стибнита (трехсернистая сурьма Sb2S3).
Основными достоинствами видиконов при применении в цветном
телевидении являются: сравнительная легкость создания требуе-
мых спектральных характеристик, обеспечивающих правильную
цветопередачу, достаточная разрешающая способность при токе
сигнала 0,1...0,5 мкА.
В то же время видиконам присущи следующие недостатки: гам-
ма-характеристика «свет-сигнал» видикона при широком изменении
освещенности на фотомишени непостоянна, что создает трудности
при обеспечении баланса белого цвета; большая инерционность
сигнала, особенно при малых уровнях освещенности; значительный
тепловой ток, зависящий от температуры и создающий неравно-
мерность сигнала изображения на темном, что не позволяет полу-
чить однородный цвет по всему полю изображения и затрудняет
получение стабильного цветового баланса.
Применение в видиконе светочувствительного фотодиодного
слоя, представляющего собой pin-структуру на основе пористой
пленки моноокиси свинца, позволило создать передающую трубку
плюмбикон. Трубку данного типа иногда еще называют леддиконом,
глетиконом. По сравнению с видиконом плюмбикон имеет следую-
щие особенности: меньшая инерционность сигнала (остаточный,
сигнал составляет не более 5% основного сигнала через 60 мс по-
сле прекращения освещения); тепловой ток примерно в 100 раз
меньше тока сигнала, что позволяет обеспечить хорошую равно-
мерность сигнала по всему полю изображения; высокая стабиль-
ность характеристики свет-сигнал при достаточно хорошей ее ли-
нейности (у - 0,95 ± 0,05).
Видиконную конструкцию имеет передающая трубка кремникон,
мишень которой дискретна и представляет собой упорядоченную
фотодиодную матрицу, выполненную по планарной технологии.
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
197
Кремникон в сравнении с плюмбикойом имеет более высокую чув-
ствительность, больший световой динамический диапазон, требуе-
мую спектральную характеристику чувствительности и повышенную
температурную стойкость мишени.
Для передающих камер ТВЧ на базе видикона разработаны труб-
ки типа сатикон, обеспечивающие значительно более высокую раз-
решающую способность. Фотопроводящий слой сатикона представ-
ляет собой аморфную среду в виде халкогенидного стекла, состоя-
щего из селена, легированного мышьяком и теллуром. Применяе-
мый фотопроводник имеет структуру, которую называют гетеропе-
реходом, благодаря которой и обеспечивается высокое разреше-
ние. Например, 25 мм сатикон с диодным прожектором обеспечива-
ет равномерную по полю мишени разрешающую способность, пре-
вышающую 1600 твл в центре и 1200 твл по краям изображениями
малую коммутационную инерционность электронного луча. Спек-
тральная характеристика сатикона позволяет использовать его в
каналах R, G, В трехтрубочной передающей камеры без каких-либо
ограничений.
Для однотрубочных и двухтрубочных камер цветного телевиде-
ния разработаны специальные видиконы с цветокодирующим
фильтром, расположенным вблизи мишени, которые получили на-
звание косвиконов. Примером является видикон «Spectraplex», раз-
работанный в США. Трехсигнальные видиконы и сатиконы находят
ограниченное применение. В телевизионных камерах специального
назначения применяются также и особые виды видиконов - пирови-
диконы, рентгеновидиконы, т.е. трубки, чувствительные соответст-
венно к инфракрасному и рентгеновскому излучениям.
Конструкции видикона, плюмбикона, кремникона, сатикона при-
мерно одинаковы. Для примера на рис. 7.5 показано устройство ти-
повой передающей трубки с фотопроводящей мишенью, магнитной
фокусировкой и магнитным отклонением (трубка типа ММ) [21].
Объектив 1 проецирует оптически сфокусированное изображение
передаваемого объекта на фотопроводящий слой 6, нанесенный на
сигнальную пластину 5, которая напылена на планшайбу 7.
Сигнальная пластина электрически соединена с кольцевым вы-
водом 5. Электронно-оптическая система передающей трубки со-
стоит из катода 12, модулятора 11, первого анода 10, второго анода
9 и выравнивающей сетки 8. Электронный луч фокусируется катуш-
кой 2, а отклоняется горизонтальными и вертикальными катушками
отклонения 4. Назначение корректирующей катушки 3 сводится к
компенсации погрешностей, вносимых магнитной и электронно-
оптической системами. Модулятор 11 предназначен для регулиров-
ки тока электронного луча, а первый и второй аноды - для его фор-
198
Основы радиосвязи и тепевидения
мирования. Магнитное поле катушки 2 фокусирует электронный луч
в плоскости мишени. Перед мишенью установлена выравнивающая
сетка. Между мишенью и сеткой создается однородное тормозящее
поле, которое обеспечивает нормальное падение электронного луча
по всей сканируемой площади фоточувствительного слоя, что по-
зволяет сохранить фокусировку луча и равномерность сигнала по
полю изображения.
На рис. 7.6 показана конструкция видикона с электростатической
фокусировкой и магнитным отклонением (трубка типа SM). Как и в
видиконе с магнитной фокусировкой, электронно-оптическая систе-
ма состоит из катода 6 с косвенным накалом, модулятора 5, первого
анода 4, второго анода 2 и выравнивающей сетки 1, причем второй
анод выполнен в виде двух цилиндров, между которыми установлен
дополнительный фокусирующий электрод 3, на который подается
напряжение меньшее, чем напряжение на втором аноде. Эта систе-
ма электродов образует электронно-оптическую линзу.
Рис. 7.5. Конструкция передающей трубки видикон типа ММ
мд ,
7 8
Рис. 7.6. Конструкция передающей трубки видикон типа SM
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
199
Электронный луч отклоняется горизонтальными и вертикальны-
ми катушками 7, а корректируется катушкой 8. Поскольку трубка с
электростатической фокусировкой не требует специальной фокуси-
рующей катушки, значительно снижается общая мощность, потреб-
ляемая передающей камерой.
Наряду с передающими трубками типа ММ и SM применяются
трубки со статической фокусировкой и статическим отклонением
(трубки типа SS), в которых фокусирующие и отклоняющие электро-
ды напыляются на внутреннюю поверхность стеклянной колбы.
Конфигурацию электродов получают путем прожигания нанесенного
металлического слоя. Такие трубки не требуют фокусирующих и
отклоняющих катушек, экономичны, имеют малую массу. Кроме то-
го, в подобных трубках обеспечиваются: высокая однородность раз-
решения по всему полю изображения; малое значение паразитного
сигнала передающей трубки; отсутствие потерь на вихревые токи;
высокая стабильность совмещения изображений из-за отсутствия
теплового дрейфа отклоняющих электродов.
К видиконам нового поколения относится передающая трубка типа
Superharpicon (суперхарпикон), разработанная японской фирмой
Hamamatsu Photonics К.К. [22]. Основу данной трубки составляет ми-
шень из аморфного селена специальной конструкции - HARP (Highgain
Avalanche Rushing amorphous Photoconductor - аморфный фотопро-
водник с лавинным умножением) размером 6,6x8,8 мм. В целом, диа-
метр суперхарпикона составляет 18 мм, а длина 106 мм. В рассматри-
ваемой трубке используется явление лавинного умножения, возни-
кающее при воздействии сильного электрического поля на слой
аморфного селена, за счет чего число фотоносителей увеличивается
в 200 раз. При напряжении на мишени 250 В лавинное умножение
обеспечивает высокую чувствительность с квантовым выходом 10.
Обычно характеристики спектральной чувствительности преоб-
разователя свет-сигнал зависят от ширины запрещенной зоны фо-
топроводящей пленки. Слой аморфного селена, основного мате-
риала фотопроводящей пленки передающей трубки суперхарпикон,
обладает запрещенной зоной шириной 2,0 эВ, поэтому он имеет
высокую чувствительность к длинам волн менее 620 нм. Установле-
но, что при толщине мишени в 2 мкм характеристика спектральной
чувствительности фотопроводящей пленки суперхарпикона доста-
точно равномерна в ультрафиолетовом диапазоне излучений с
длинами волн от 200 до 400 нм.
Таким образом, суперхарпикон отличается расширенной спек-
тральной характеристикой, особенно в красной области излучений,
высокой разрешающей способностью (800 твл), малым темновым то-
ком (типичное значение 1 нА) и незначительной инерционностью (3%).
200
Основы радиосвязи и телевидения
Областями применения видиконов нового типа являются как
прикладное, так и вещательное телевидение. Например, японская
фирма Hitachi разработала портативную вещательную камеру
NTSC/PAL SK-H5 на трех суперхарпиконах.
7.2.3. Физические принципы построения преобразователей
свет-сигнал на приборах с зарядовой связью (ПЗС)
Достоинства ПЗС-структур. Основой ПЗС является конденса-
тор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-конденсатор)
[23]. Именно МОП-конденсатор является элементом, способным
хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под
воздействием света или путем инжекции через р-n переход. Цепоч-
ка из МОП-конденсаторов, связанных особым образом друг с дру-
гом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под
воздействием управляющих напряжений от одного элемента струк-
туры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются
в потенциал или ток.
К достоинствам ПЗС-структур следует отнести:
- возможность непосредственного преобразования светового по-
тока в зарядовые пакеты и способность хранить зарядовую ин-
формацию;
- способность направленной передачи зарядовой информации и
преобразования ее в видеосигнал при достаточно точном по-
строении геометрии точечного растра (координаты элементов
фиксируются с точностью до 0,5 мкм);
- высокое быстродействие;
- возможность реализации обработки информации непосредст-
венно на матрице;
- высокую степень интеграции, малые потребляемую мощность и
габаритные размеры;
- высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям и элек-
тромагнитным воздействиям, надежность и большой срок службы.
Преобразователи на ПЗС делятся на линейные и двумерные
(матрицы). Линейные ПЗС содержат ряд фоточувствительных эле-
ментов, т.е. передают одну строку изображения. Для передачи дву-
мерной сцены используют перемещение передаваемого изображе-
ния поперек строки (например, в системах телекинопроекции кино-
пленку непрерывно перемещают относительно ПЗС-линейки) или
линейный преобразователь перемещают относительно передавае-
мого объекта (например, в системах съемки поверхности Земли
сканирование по одной координате осуществляется за счет движе-
ния космического аппарата, несущего ПЗС-преобразователь). Мат-
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
201
ричный преобразователь является полным аналогом передающей
телевизионной трубки.
Структуры линейных преобразователей свет-сигнал. Извест-
но значительное число схем построения линейных преобразовате-
лей на ПЗС. Рассмотрим некоторые из них. В преобразователях
должны быть реализованы процессы накопления зарядовых паке-
тов под действием излучения и считывания его со скоростью, при-
нятой в телевизионной системе. При этом используется простран-
ственное или временное разделение процессов накопления и счи-
тывания.
Структура линейного преобразователя с разделением во време-
ни показана на рис. 7.7, а. Накопление и передача зарядовых паке-
тов к выходу в таком преобразователе осуществляются одними и
теми же элементами ПЗС-структуры. На заштрихованных элементах
происходит накопление. Далее накопление прерывается с помощью
электрического затвора и происходит проталкивание зарядовых па-
кетов к выходу устройства с помощью манипуляции потенциалов
1>1, U2, U3, как было рассмотрено выше. Структура работает, как
трехфазные регистры сдвига. После считывания сигнала строки
изображения возобновляется процесс накопления [23].
С целью реализации накопления в течение всего периода строки
используют пространственное разделение накопления и считыва-
ния. Пример организации структуры линейного преобразователя
такого типа приведен на рис. 7.7, б.
Цз t . ..т.. - i
ппппппппппппгГ/2
вввввввввв»п । —- хр-
---► х чз
о) - . ; б)
^'ununununun^bik^-
в)
Рис. 7.7. Различные организации структуры линейного ПЗС:
1 - секция накопления; 2 - затвор; 3 - секция считывания; 4 - сумматор;
а - структура линейного преобразователя с разделением во времани
процессов накопления и считывания; б - структура линейного преоб-
разователя с пространственным раздалением процессов накоплания
и считывания; в - структура линейного преобразователя с билиней-
ным считыванием
202
Основы радиосвязи и телевидения
Здесь секция накопления и регистр сдвига разделены электро-
дом переноса (затвором). После завершения периода накопления
заряды, сформированные в светочувствительных элементах секции
накопления, параллельно переносятся в несветочувствительный
регистр сдвига (затвор открывается). Далее, после закрытия затво-
ра, параллельно протекают процессы накопления и считывания. По
завершении считывания процессы повторяются.
Для повышения разрешающей способности линейного преобра-
зователя число светочувствительных элементов может быть увели-
чено вдвое при той же длине линейки за счет организации билиней-
ного считывания (рис. 7.7, в). В этом случае устройство преобразова-
ния представляет собой две структуры, вставленные одна в другую.
Рассмотренные принципы построения линейных преобразовате-
лей могут быть использованы для образования матричных структур.
Линейные ПЗС, приведенные на рис. 7.7, могут быть скомпонованы
в матрицу.
Классификация матричных преобразователей свет-сигнал.
Как теле-, так и видеокамеры требуют использования в них преоб-
разователей свет-сигнал, способных формировать сразу целое изо-
бражение, сфокусированное оптической системой на светочувстви-
тельной поверхности пробора с зарядовой связью. Для этого ис-
пользуются многие тысячи светочувствительных датчиков, объеди-
ненных в матрицу. Такой двумерный массив получают с помощью
стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столб-
цы. Стоп-каналы - это узкие области, формируемые специальными
технологическими приемами в приповерхностной области, которые
препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы. Аналого-
вый метод работы сдвигового регистра используется для переноса
зарядов, генерируемых светочувствительными датчиками, из этой
секции на выходной терминал прибора.
Число элементарных конденсаторов (элементов) по горизонтали
определяет горизонтальное разрешение, а число элементов по вер-
тикали жестко привязано к телевизионному стандарту.
При разработке двухкоординатной матрицы решается вопрос ор-
ганизации ее считывания. По способу накопления и переноса заря-
довых пакетов матрицы делятся на три вида. Первый - это приборы
со строчным переносом зарядов (Interline Transfer - IT), второй -
с кадровым переносом или Frame Transfer - FT и, наконец, третий -
с кадрово-строчным переносом или Frame Interline Transfer - FIT
(рис. 7.8).
Принципы кадрового переноса зарядов. Первые формирова-
тели видеосигнала на ПЗС использовали принцип кадрового пере-
носа зарядов, который является самым простым, а поэтому наиболее
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
203
б)
в)
Рис. 7.8. Основные разновидности матриц ПЗС:
а - структура матрицы с кадровым переносом зарядов (ПЗС КП); б -
структура матрицы со строчным переносом зарядов (ПЗС СП); в -
структура матрицы с кадрово-строчным переносом зарядов (ПЗС КСП)
удобным в производстве и эксплуатации матриц. В матрице данного
типа кремниевая интегральная схема как бы разделена на две сек-
ции. Верхняя половина представляет собой секцию светочувстви-
тельных датчиков, накапливающих заряды (создающих потенциаль-
ный рельеф). Нижняя же часть полностью замаскирована, чтобы на
нее не мог попасть световой поток. Эта половина матрицы пред-
ставляет собой секцию хранения (памяти) зарядов, равную по пло-
щади секции накопления, и считывающего регистра. В этой секции
происходит последовательное считывание зарядовых пакетов. Уп-
рощенная конструкция такой матрицы представлена на рис. 7.9 [24,
25]. Реально, конечно, матрица состоит из гораздо большего числа
элементов.
204
Основы радиосвязи и тепевидения
Рис. 7.9. Конструкция матрицы ПЗС с кадровым переносом зарядов:
а - режим формирования зарядов; б - режим переноса зарядов;
1 - фотодатчик; 2 - заряды, пропорциональные падающему световому
потоку; 3 ~ секция накопления зарядов; 4 - оптическая маска; 5 - секция
хранения зарядов; 6 - выходной терминал; 7 - считывающий регистр
В процессе телевизионной развертки во время активной части
поля на секцию накопления заряда проецируется изображение,
формируемое объективом, а вторая половина матрицы (секция
хранения заряда) защищена от попадания какого-либо света (и,
следовательно, от увеличения заряда на ней). Потенциальный
рельеф формируется на всей площади изображения.
За время кадрового гасящего импульса накопленные заряды с
большой скоростью последовательно движутся в вертикальном на-
правлении в секцию хранения зарядов. Во время накопления в фо-
топриемной секции следующего телевизионного кадра информация
из секции хранения построчно передается в секцию переноса заря-
дов - сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса зарядов
осуществляется в интервале строчного гасящего импульса.
Поскольку заряд, соответствующий какому-либо пикселю, прохо-
дит через области других пикселей, необходим затвор, который пе-
рекрывал бы доступ света из объектива на время переноса. Далее
затвор снова открывается для следующего телевизионного кадра, а в
это время (активная часть строки) зарядовые пакеты поэлементно
выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, где дву-
мерная сетка распределения интенсивности засветки (потенциаль-
ный рельеф) преобразуется в сигнал с изменяющимся напряжением.
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
205
Перенос зарядов отдельных строк из секции памяти в сдвиговый
регистр осуществляется во время обратного хода строчной раз-
вертки, а выход зарядов строки из регистра в выходное устройство
- во время прямого хода строчной развертки.
Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос заря-
довых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема:
- перенос из секции накопления в секцию памяти;
- перенос из секции памяти в сдвиговый регистр;
- перенос из сдвигового регистра в выходное устройство.
Простая электродная структура позволяет компактно располо-
жить ячейки матрицы.
На практике матрицы ПЗС КП оказались малопригодными для
камер цветного телевидения из-за недостаточной чувствительности
в синей области видимого спектра излучения. Это объясняется тем,
что поликремниевые электроды, толщину которых для обеспечения
достаточной проводимости приходится выбирать равной примерно
0,5 мкм, сильно поглощают синюю составляющую спектра и практи-
чески не пропускают ее в подложку.
Серьезным недостатком матриц ПЗС КП является смаз, т.е. по-
явление вертикальных светлых столбов от ярких участков на изо-
бражении. В ПЗС КП из-за того, что во время покадрового переноса
(а он осуществляется достаточно продолжительное время, порядка
1 мкс) накопленных зарядов из секции накопления в секцию памяти
свет продолжает попадать в секцию накопления, образуя новые па-
кеты зарядов, которые добавляются к переносимым пакетам. В по-
следующих полях появляется смаз в виде отрезка белой верти-
кальной полосы, следующей за очень ярким объектом (рис. 7.10).
Отрезок вертикальной белой полосы перед ярким объектом соответ-
ствует паразитным зарядам, накЪпленным в секции накопления во
время переноса полезных пакетов зарядов в первом и последующих
полях и считываемых из нее во втором и последующих полях.
Рис. 7.10. Изображение яркой детали на экране видеомонитора
при наличии смаза:
1 - экран; 2 - яркая деталь изображения; 3 - двусторонние верти-
кальные тянущиеся продолжения (смаз) от яркой детали изображения
206
Основы радиосвязи и телевидения
2
Рис. 7.11. Конструкция матрицы ПЗС с построчным переносом зарядов:
1 - регистр вертикального сдвига; 2 - фотодатчик; 3 - горизонтальный
считывающий регистр; 4 - оптическая маска; 5 - выходной терминал
Особенности построчного переноса зарядов. В матрицах с
построчным переносом зарядов светочувствительные ячейки рас-
положены между вертикальными ПЗС-регистрами сдвига, заэкрани-
рованными от света алюминиевой маскирующей пленкой (рис. 7.11)
[24, 25]. Секция хранения зарядов отсутствует (ее роль выполняют
вертикальные регистры), что при заданном оптическом формате
изображения приводит к уменьшению площади кристалла.
Во время кадрового гасящего импульса все накопленные в све-
точувствительных ячейках заряды переносятся за один такт в рядом
расположенные потенциальные ямы вертикальных ПЗС-регистров,
из которых далее построчно переносятся в горизонтальный регистр
во время строчного гасящего импульса. Из горизонтального регист-
ра заряды считываются во время активной части строки и преобра-
зуются в выходное напряжение во встроенном усилителе.
Поскольку в подобной конструкции функции светочувствитель-
ных датчиков и регистров сдвига разделены, каждая из этих струк-
тур может быть оптимизирована. Рассматриваемый преобразова-
тель обладает высокой эффективностью переноса зарядов, при
этом обеспечиваются хороший динамический диапазон видеосигна-
ла и сверхнизкий уровень структурных шумов в изображении.
При наличии ярко освещенных деталей изображения в матрицах
ПЗС СП также возникает вертикальный смаз (см. рис. 7.10). Однако
здесь он обусловлен другими причинами. В первых моделях теле-
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
207
камер, использовавших ПЗС с построчным переносом, искажения
были вызваны действием фотонов света, глубоко проникающих под’
алюминиевый экран над вертикальным ПЗС-регистром - в полупро-
водниковую структуру преобразователя. Например, в ранних моде-
лях матриц ПЗС СП смаз составлял 3%. Переход к матрицам ПЗС
СП с объемными стоками избыточных зарядов позволил уменьшить
смаз до 0,2%. Затем и это значение было уменьшено в 12 раз до
0,016% за счет исключения сравнительно толстого (до 1,8 мкм) слоя
фосфор-силикатного стекла под алюминиевым экраном и заменой
его тонким (0,2 мкм) слоем окисла, что резко снизило паразитную
засветку. Фирма Sony в своих матрицах ПЗС СП снизила уровень
смаза до 0,01% за счет уменьшения подтекания зарядов в ПЗС-
регистр путем увеличения сопротивления подложки, а также за счет
введения />кармана под вертикальными регистрами.
Для обеспечения чересстрочной'развертки в матрицах ПЗС СП мо-
гут использоваться два способа накопления и считывания зарядов из
светочувствительных ячеек в вертикальные регистры. В первом из них
в четных полях считываются заряды из всех четных ячеек, а в нечет-
ных полях - из всех нечетных ячеек. Время накопления зарядов в каж-
дой ячейке в этом случае равно длительности телевизионных кадров
(40 мс), что приводит к уменьшению динамического разрешения для
движущихся деталей изображения по сравнению с матрицами ПЗС КП,
где время накопления зарядов равно длительности поля (20 мс). Для
устранения этого недостатка в последнее время в качестве основного
используется второй способ считывания зарядов с двух соседних яче-
ек одновременно с номерами 1 + 2, 3 + 4, ... в первом поле и 2 + 3,
4 + 5, ... - во втором. В результате время накопления зарядов стано-
вится равным длительности одного поля телевизионной развертки, т.е.
20 мс (рис. 7.12). Недостаток вторбго способа заключается в некотором
снижении вертикальной разрешающей способности.
Рис. 7.12. Иллюстрация принципа накопления зарядов
в течение телевизионного поля
208
Основы радиосвязи и телевидения
Отмеченный недостаток можно устранить, если в четных полях
считывать заряды из всех четных ячеек, а заряды из нечетных уда-
лять. В нечетных же полях нужно считывать заряды из нечетных
ячеек, заряды из четных ячеек во время того же полевого гасящего
импульса удалять в специальные стоки. Следует заметить, что в
предлагаемом режиме считывания зарядов вдвое снижается чувст-
вительность матрицы.
Технология кадрово-строчного переноса зарядов. В трехмат-
ричных камерах вещательного телевидения необходимо дальней-
шее снижение уровня смаза вплоть до тех пор, пока он не станет
существенно меньше уровня шумов даже при значительных ло-
кальных пересветах. Поэтому для повышения качества формируе-
мого изображения в ПЗС был разработан альтернативный способ
переноса зарядов. Его назвали принципом кадрово-строчного или
гибридного переноса [25, 26].
Указанный принцип объединил в себе особенности двух преды-
дущих методов - построчного и покадрового переноса зарядов (рис.
7.13).
Верхняя секция преобразователя работает точно так же, как и
матрица ПЗС с построчным переносом зарядов. В этом случае за-
ряды от светочувствительных датчиков поступают на вертикальные
регистры сдвига во время кадрового гасящего импульса, но затем
осуществляется перенос зарядов в секцию хранения и далее к ре-
гистру горизонтального сдвига.
Благодаря наличию в матрицах ПЗС КСП дополнительной сек-
ции хранения зарядов на длительность телевизионного поля часто-
та переноса зарядов из вертикальных ПЗС-регистров в секцию хра-
нения может быть выбрана в десятки раз (до 60 раз) больше часто-
ты строк, используемой в матрицах ПЗС с построчным переносом
зарядов. В данном случае закрытые непрозрачной маскирующей
пленкой пакеты зарядов становятся невосприимчивыми к мощным
пересветам. Таким образом, заряды искажаются в 60 раз меньше по
сравнению с вариантом, используемым в ПЗС с СП. Это и позволя-
ет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Прак-
тически уровень смаза снизился до 0,0002% и стал практически не-
заметным даже при значительных локальных пересветах. В назван-
ных четырехфазных матрицах ПЗС КСП фирмы Sony используется
электронное регулирование длительности накопления зарядов
(электронный фотозатвор) при передаче быстродвижущихся изо-
бражений с целью повышения динамической разрешающей способ-
ности. В этом случае заряды, накопленные в светочувствительных
ячейках за выбранную часть длительности поля (1/125, 1/500,
1/1000 или же 1/2000 с, например), переносятся в секцию памяти во
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
209
Регистр
вертикального
переноса
накопления
Оптическая
Фотодиод
Регистр горизонтального переноса
Секция
□ [ хранения
। элементов
изображения
Выходное
устройство
Рис. 7.13. Конструкция матрицы ПЗС
с кадрово-строчным переносом зарядов
время полевого гасящего импульса, а все ненужные заряды, накап-
ливаемые в остальное время, предварительно удаляются в специ-
альный сток, расположенный в верхней части матрицы. Могут ис-
пользоваться и другие способы удаления ненужных зарядов.
Из рис. 7.14 видно, что часть светочувствительной поверхности
секции накопления покрыта непрозрачными для света вертикаль-
ными регистрами переноса, что существенно снижает световую
чувствительность таких ПЗС по сравнению с ПЗС с переносом кад-
ра. Преодолеть этот недостаток позволило применение микролинз,
которые располагаются перед каждым фотодатчиком и поэтому
практически весь свет собирается на них, минуя закрытые от света
участки секции накопления. Этим достигается высокая светочувст-
вительность матриц ПЗС [27].
14 — 6973
210
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 7.14. Конструкция матрицы ПЗС с микролинзами
Первооткрывателем микролинз стала фирма Sony. Теперь мат-
рицы ПЗС с микролинзами используют Panasonic, Ikegami, Toshiba,
Hitachi и другие фирмы.
Матрицы ПЗС с кадрово-строчным переносом зарядов устанав-
ливаются в высококачественных и, как следствие, наиболее дорогих
теле- и видеокамерах. Эти матрицы обеспечивают наиболее высо-
кое качество формируемых видеосигналов, объединяя все преиму-
щества кадрового и строчного переноса зарядов.
У матриц ПЗС КСП есть и свои недостатки. Поскольку матрица
является сложной составной структурой и использует большую
площадь интегральной схемы из-за необходимости наличия от-
дельной секции накопления, она становится более дорогостоящей
в процессе производства.
7.3. Телевизионные передающие камеры
Передающие телевизионные камеры, являясь начальным зве-
ном, входят в состав практически любой телевизионной системы,
решающим способом влияют на ее качественные показатели.
В настоящее время вакуумные преобразователи свет-сигнал (пе-
редающие трубки с внутренним фотоэффектом - видиконы, плюм-
биконы, сатиконы, кремниконы и др.) в основном применяются в пе-
редающих камерах специального назначения, имеющих в большин-
стве случаев прикладной характер. В силу специфических свойств
передающих трубок подобные телевизионные камеры иногда ис-
пользуются в промышленном производстве, в научных исследова-
ниях. В системах телевизионного вещания в подавляющем боль-
шинстве случаев применяются камеры на матрицах ПЗС.
Первоначально для съемки вещательных программ использова-
лись телевизионные камеры, сигнал которых записывался на конст-
руктивно удаленный видеомагнитофон. Такой принцип применялся
Z Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
211
как при производстве студийных передач, так и при репортажных
съемках. Основной причиной были значительные масса и габарит-
ные размеры телевизионных камер и видеомагнитофонов. Напри-
мер, в случае проведения внестудийных передач телевизионные
камеры коаксиальным кабелем соединялись с передвижной телеви-
зионной станцией (ПТС), откуда сформированный сигнал ретранс-
лировался по радиорелейной линии на телецентр или осуществля-
лась его запись непосредственно на станции.
Разработка твердотельных полупроводниковых матриц на ПЗС,
новых кассетных форматов видеозаписи и широкое внедрение мик-
роэлектроники привели к появлению первых видеокамер, т.е. уст-
ройств, включающих в себя телевизионную камеру и видеомагни-
тофон. Объединение двух слов camera и recorder дало используе-
мое во всем мире название таких устройств - камкордер, которое
в последнее время широко применяется и в России. По конструкции
используемые видеокамеры подразделяются на разъемные и не-
разъемные, т.е. моноблочные.
На сегодняшний день телевизионные вещательные камеры про-
должают выпускаться - они широко используются для студийных
съемок крупными телецентрами и обеспечивают максимальный
уровень качества формируемого на приемном конце цветного изо-
бражения. Но все большее число телекомпаний, формируя состав
оборудования, уделяет особое внимание его многофункционально-
сти и поэтому даже для студийных съемок отдают предпочтение
видеокамерам, используя одни и те же камеры и в качестве телеви-
зионного журналистского комплекта (ТЖК). Производители видео-
оборудования для удовлетворения такого спроса разработали те-
левизионные камеры с пристыковываемым накамерным рекорде-
ром, расширили функциональные возможности камер, повысили их
качественные показатели.
Видеокамера состоит из нескольких основных функциональных
узлов: объектива, камерной головки, видеомагнитофона или уст-
ройства дисковой видеозаписи и блока управления (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Функциональная схема видеокамеры:
1 - объектив; 2 - камерная головка; 3 - блок управления; 4 - видео-
магнитофон
14*
212
Основы радиосвязи и телевидения
Вариообъектив видеокамеры представляет съемную оптикоме-
ханическую конструкцию, призванную формировать изображение
повышенной разрешающей способности и с наименьшими искаже-
ниями. Объективы имеют регулируемые диафрагму, систему фоку-
сировки и трансфокатор, а также позволяют осуществлять смену
светофильтров. В последнее время повышенные требования к ка-
честву изображения привели к появлению в профессиональных оп-
тических системах стабилизатора изображения. Объектив жестко
крепится к основной части видеокамеры - камерной головке, осу-
ществляющей преобразование свет-сигнал, обработку изображения
и звука.
Световой поток, отраженный от какого-либо объекта съемки,
находящегося перед камерой, фокусируется и попадает в свето-
делительный блок камерной головки, содержащий также цветные
коррекционные светофильтры. Светоделительный блок делит
весь спектр света на красную (Я), зеленую (G) и синюю (В) со-
ставляющие, после чего они соответственно поступают по трем
различным каналам на матрицы ПЗС, которые осуществляют
пространственную дискретизацию цветоделенных изображений.
Поэтому в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова для
исключения интермодуляционных искажений (элайзинга), спектр
передаваемых пространственных частот перед дискретизацией
должен быть ограничен на частоте менее или равной половине
частоты дискретизации. Для этой цели применяют фильтр ниж-
них пространственных частот (ФНПЧ). Поскольку матрицы ПЗС
имеют максимальную чувствительность в инфракрасной (ИК) об-
ласти спектра, в оптическую часть видеокамеры, как правило,
входит фильтр ИК-отсечки. Устройство оптической части видео-
камеры иллюстрируется рис. 7.16.
Объектив
Сигнал
управления
фокусом
• Светоделительный Фильтр ИК-отсечки
блок с коррекционными
светофильтрами
Сигнал
управления
диафрагмой
Рис. 7.16. Конструкция оптической части видеокамеры
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры
213
Рис. 7.17. Структурная схема камерной головки:
1 - светоделительный блок; 2 - коррекционные светофильтры; 3-
матрицы ПЗС; 4 - устройство управления матрицами ПЗС; 5 - устрой-
ство аналоговой обработки; 6 - ЦАП; 7 - АЦП; 8 - синхрогенератор;
9 - цифровой процессор сигналов и кодер
Структурная схема камерной головки представлена на рис. 7.17
[26]. В телевизионном вещании широкое применение нашли самые
высококачественные и дорогостоящие матрицы ПЗС со строчным и
кадрово-строчным переносом. Практически в большинстве пере-
дающих камер вещательного и профессионального классов исполь-
зуются по три матрицы ПЗС. Цветоделительный блок в совокупно-
сти с матрицами ПЗС является самым дорогим узлом видеокамеры.
Оптическая схема трехматричной телекамеры с призменным
светоделительным блоком представлена на рис. 7.18 [28]. Работа
такой оптической системы отличается простотой и состоит в сле-
дующем. Свет, выходящий из вариообъектива 1, пройдя через об-
щий нейтральный или приводной светофильтр 2 (который ставится
в случае избытка света), падает-на светоделительные слои 4, кото-
рые представляют собой многослойные пленки (от 7 до 20 слоев)
различной толщины и разными показателями преломления, нане-
сенные на грани стеклянных призм 3 в местах расщепления свето-
вого луча. Вследствие избирательного отражения и пропускания
светового потока светоделительными слоями 4 на светочувстви-
тельных поверхностях матриц ПЗС 6 формируются цветоделенные
изображения. Коррекционные светофильтры 5 нанесены на грани
призм в непосредственной близости от матриц ПЗС.
Основными преимуществами светоделительных систем в заднем
рабочем отрезке вариообъектива являются их относительно неболь-
шие габариты и масса, высокие четкость и контраст изображения (так
как в них меньше аберрационные искажения и светорассеяние),
больший коэффициент пропускания т (за счет меньших поглощения
света в стекле и вредного отражения от поверхностей призм).
214
Основы радиосвязи и телевидения
Рис. 7.18. Схема оптической системы трехматричной телекамеры
с призменным светоделительным блоком:
1 - вариообъектив; 2 - приводной (нейтральный) светофильтр; 3-
призмы; 4 - светоделительные слои; 5 - коррекционные светофильт-
ры; 6 - матрицы ПЗС
В колориметрии принято считать, что белый цвет получается при
слиянии красного, зеленого и синего цветов равной интенсивности.
На этом же принципе основана и работа цветных видеокамер. При
съемке белой поверхности (нейтральный объект) все три сигнала
согласуются по зеленому цвету для получения сигналов красного,
зеленого и синего цветов одинаковой интенсивности. Такое согла-
сование носит название баланса белого. В действительности при
отображении белого на экране телевизора имеется следующее со-
отношение интенсивности цветов: 30% приходится на красный цвет,
59% - на зеленый и 11% - на синий. Глаз способен адаптироваться
к изменению цветовой температуры белой поверхности. Камера же
не имеет такой возможности, поэтому после матриц ПЗС стоят три
усилителя видеосигнала, которые должны быть настроены таким
образом, чтобы их выходные сигналы были согласованы.
Снимаемые с матриц ПЗС сигналы проходят схему аналоговой
обработки, где производится устранение шумовых составляющих и
необходимое для аналого-цифрового преобразователя (АЦП) усиле-
ние, стабилизация уровня черного и коррекция проработки деталей
изображения при слабой освещенности. АЦП осуществляет преобра-
зование аналогового сигнала в цифровой, выбранной разрядности и
частоты дискретизации, для дальнейшей цифровой обработки.
Цифровой процессор сигналов (ЦПС) производит обработку ви-
деосигналов трех основных цветов, поступающих с АЦП, таким об-
разом, чтобы обеспечить требуемую разрешающую способность,
широкий динамический диапазон, верность цветопередачи.
На практике используются несколько способов записи аудиови-
зуальной информации на магнитную ленту, на жесткий или оптиче-
7. Конструктивные особенности телевизионной аппаратуры 215
ский диски, а также карты твердотельной памяти. От выбора спосо^
ба записи и формата зависят качество записи и то, в каком формате
будет производиться последующий электронный видеомонтаж.
В некоторых видеокамерах одновременно осуществляется запись
информации, как дисковым рекордером, так и встроенным видео-
магнитофоном на кассету формата DV (международный цифровой
формат компонентной видеозаписи на магнитную ленту шириной
1/4 дюйма, т-.е. 6,35 мм).
Звуковая часть видеокамеры предусматривает запись со встро-
енного микрофона, внешнего микрофона, а также любого внешнего
звукового сигнала, подаваемого на аудиовход видеокамеры.
Система управления видеокамерой обеспечивает формирование
в автоматическом режиме или преобразование в ручном режиме
команд и управляющих сигналов для:
- регулирования параметров отдельных систем контроля камеры в
процессе передачи по желанию оператора или при изменении
условий передачи, например, диафрагмирование при изменении
освещенности;
- поддержания параметров камеры при ее работе в пределах ус-
тановленных допусков;
- настройки камеры и диагностики неисправностей.
Для достижения высокого качества записи необходим ряд орга-
нов управления (баланс белого, скорость электронного затвора,
усиление, меню, плата запоминания установок, вид внешней син-
хронизации и контроля выходного сигнала и т.д.), расположение
которых для каждой руки оператора тщательно продумано. Совре-
менные видеокамеры имеют электронную память (как правило, это
карты твердотельной памяти) на несколько предустановок. Обычно
эти схемы имеют собственный автономный источник питания, на-
пример, небольшую литиевую батарею. Оператор в процессе под-
готовки к съемкам проверяет работу камеры в конкретных условиях,
определяет оптимальные параметры настройки и записывает их
в электронную память. Внутренняя память не только поддерживает
в оптимальном режиме записанную информацию о параметрах, да-
же если сама камера выключена или находится в дежурном режи-
ме, но и обеспечивает постоянную работу часов и календаря. Впо-
следствии данные предустановок поочередно могут быть выведены
одной кнопкой, что решает, например, проблемы при быстрых пере-
ходах с освещенных участков на затемненные.
Система контроля и индикации предназначена для обеспечения
визуального контроля состояния камеры и параметров формируе-
мых видеосигналов, а также настройки камеры и диагностики неис-
правностей. Она состоит из видоискателя и ряда световых индика-
216
Основы радиосвязи и телевидения
торов. По экрану видоискателя контролируется содержание сни-
маемого изображения. На нем также могут быть просмотрены
фрагменты изображения, записанные на встроенный видеомагни-
тофон. Через развитое меню возможно изменение множества пара-
метров в широких пределах - динамических характеристик, пара-
метров апертурных корректоров, фильтров, гамма-коррекции и дру-
гих и их контроль с помощью видоискателя, на который выводится
служебная информация. С помощью видоискателя можно четко
различить области пересветов.
Система синхронизации видеокамеры обеспечивает временное
согласование работы всех систем и блоков камеры в различных ре-
жимах работы.
Система питания обеспечивает формирование различных номи-
налов напряжения, необходимых для работы всех систем камеры.
Первичным источником питания может быть как встроенная аккуму-
ляторная батарея, так и электрическая сеть переменного тока.
Конструктивные особенности типовой цифровой видеокамеры
иллюстрируются рис. 7.19 [29].
Рис. 7.19. Конструкция типовой циф