1. 1. СОСТАВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА

Телевидение в нашей стране прошло ряд этапов развития. Первые опытные телевизионные передачи были осуществлены 29 апреля и 2 мая 1931 г., а с 1 октября этого же года начались регулярные передачи с разложением изображения на 30 строк и 12, 5 кадров. С 1937 г. начались передачи сравнительно высококачественного изображения с разложением на 343 строки и 25 кадров. В 1948 г. наша страна впервые в мире освоила телевизионный стандарт с разложением на 625 строк и 50 полей. С 1967 г. начались регулярные передачи цветного телевидения. В настоящее время повсеместно все программы телевидения передаются в цветном изображении.

Наряду с развитием передающей телевизионной сети развивалась и приемная сеть. Если в 1940 году отечественная промышленность выпустила всего 300 телевизионных приемников, в 1950 г. - 11 900, то к концу 1990 г. их выпуск превысил 10 млн., в том числе более б млн. цветных. Количество телевизоров у населения к началу 1991 г. превысило 100 млн. Практически каждая семья имеет телевизор, а многие - два и более. Этим объясняется большой интерес к телевизионной технике в самых различных слоях населения.

Изображение любых предметов, в принципе, передать можно сразу все, но для этого потребовалось бы огромное количество каналов связи, равное количеству элементов изображения, а для высокого качества размеры этих элементов должны быть достаточно малы. Поэтому в телевидении используется принцип поочередной передачи сигнала, подобный чтению текста: по строкам, слева направо, немного вниз, снова слева направо и так до конца, пока не будет считано все изображение. Такой процесс передачи изображения называется разверткой изображения по времени.

Для преобразования изображения в электрический сигнал и осуществления развертки служит передающая телевизионная трубка, входящая в состав передающей камеры. Камера похожа на фотоаппарат и содержит объектив, которым передаваемое изображение проецируется целиком на мишень передающей трубки. Мишень покрыта светочувствительным веществом в виде мельчайших зерен, заряжаемых под воздействием света. Сильно освещенные зерна заряжаются сильнее, а те, на которые не падает свет, не заряжаются.

Для развертки на мишень направляется электронный луч, который отклоняющей системой перемещается по мишени слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру). Эти направления разверток называются прямым ходом. Кадровая развертка значительно медленнее строчной. Поэтому каждая последующая строка располагается немного ниже предыдущей. После прямого хода строчной развертки следует ее обратный ход.

- луч быстро возвращается к левому краю мишени и начинается прямой ход следующей строки. Когда под воздействием прямого хода кадровой развертки будет пройдена последняя нижняя строка, возникнет обратный ход кадровой развертки, луч быстро переместится вверх и начнется развертка следующего кадра.

Для получения хорошей разрешающей способности (различимости мелких деталей изображения) за время передачи полного кадра строчная развертка обходит 625 строк. Во избежание мельканий при передаче движущихся изображений смена кадров производится достаточно быстро — 50 раз в секунду. Такая развертка называется прогрессивной, или построчной. Однако прогрессивная развертка по ряду причин оказалась неудобной. Поэтому вместо 50 кадров в секунду передается 50 полей, причем каждое поле содержит вместо 625 строк вдвое меньше - 312, 5, а строки в полях расположены через одну. Таким образом, в течение одного поля передаются лишь нечетные строки - 1, 3, 5 и т. д., а в течение следующего поля - четные -2, 4, б и т. д. Такая развертка называется чересстрочной.

Электронный луч, обегая мишень передающей трубки, разряжает накопленные на ней заряды. Ток луча изменяется в соответствии с зарядами в каждой точке мишени, т. е. в соответствии с изображением, которое было на нее спроецировано. В результате на сопротивлении резистора, по которому протекает ток луча, образуется напряжение видеосигнала. Для получения точно такого же изображения на экране телевизора, как на мишени передающей трубки, электронный луч приемной трубки (кинескопа) должен обходить экран в том же порядке, в котором обходил мишень луч передающей трубки. Для этого к сигналу изображения подмешиваются строчные и кадровые синхронизирующие импульсы.

Во время обратного хода луча кинескопа по строкам и по кадрам он должен быть погашен. Для этого к сигналу изображения также подмешиваются специальные гасящие импульсы в конце каждой строки и в конце каждого поля. Синхроимпульсы размещаются на гасящих импульсах, как на пьедестале. Таким образом, гашение луча кинескопа начинается еще до начала обратного хода и заканчивается после его завершения. Чтобы генератор строчной развертки телевизора не вышел из синхронизма во время кадрового синхроимпульса, в него вводятся строчные синхроимпульсы в виде врезок. Кроме того, перед кадровым синхроимпульсом и после него вводится по шесть так называемых уравнивающих импульсов.

Смесь сигнала изображения и полного синхросигнала образует полный телевизионный сигнал, который подается на модулятор передатчика изображения. При цветном телевидении полный телевизионный сигнал содержит еще сигналы цветности и опознавания цветной передачи. Эти сигналы воспринимаются только цветными телевизорами.

Звуковое сопровождение телевизионной передачи ведется при частотной модуляции несущей частоты. Разнос между несущими частотами изображения и звука в странах СНГ принят равным 6, 5 МГц. Для передачи звукового сопровождения используется отдельный передатчик. Передатчики изображения и звукового сопровождения работают на общую широкополосную антенну - многоэтажную, турникетного типа. Такая антенна в горизонтальной плоскости имеет ненаправленную круговую диаграмму направленности, а в вертикальной создает узкий лепесток диаграммы,

прижатый к поверхности земли, что увеличивает поток мощности в этом направлении и препятствует излучению под большими углами к горизонту, которое бесполезно.

1.2. СТАНДАРТЫ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Система преобразования изображения и звукового сопровождения телевизионной передачи в электрический сигнал на передающей стороне и обратного преобразования на приемной устанавливается телевизионным стандартом. Разные страны мира используют разные стандарты, сложившиеся исторически, которые различаются числом строк в полном кадре, частотой полей, разносом между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения, видом модуляции несущей сигналом звукового сопровождения и другими параметрами.

В большинстве стран мира их стандартами предусмотрено разложение изображения на 625 строк и 50 полей при чересстрочной развертке. В странах же Америки, Японии и некоторых других частота полей составляет 60 Гц, а число строк в полном кадре - 525. У нас и в странах Восточной Европы разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения принят равным 6, 5 МГц, а в большинстве других стран мира - 5, 5 МГц. Кое-где используется амплитудная модуляция несущей частоты сигналом звука вместо общепринятой частотной модуляции. Имеются и другие различия. Каждому телевизионному стандарту присвоена определенная буква латинского алфавита, которая позволяет определить все его характеристики.

Помимо разных телевизионных стандартов существуют три разные системы цветного телевидения - СЕКАМ, ПАЛ и НТСЦ, каждая из которых характеризуется определенным способом формирования сигнала, содержащего информацию о цвете элементов изображения.

Различия в стандартах мешают использовать телевизор, рассчитанный на один стандарт, для приема передачи по другому. Такие рассогласования обычно происходят при использовании импортных телевизоров, когда из-за разницы в стандартах оказывается невозможно принять звуковое сопровождение телевизионных передач или при цветной передаче изображение на экране телевизора оказывается черно-белым. В таких случаях неизбежна переделка телевизора, порой достаточно сложная. Поэтому в последние годы многие зарубежные производители стали выпускать телевизоры, оснащенные микропроцессором, который автоматически способен распознать стандарт принятого телевизионного сигнала и систему цветного телевидения, использованную в этом сигнале. Процессор производит необходимые переключения в схеме телевизора, которые обеспечивают нормальный прием изображения и звука, освобождая владельцев такого телевизора от забот.

Для многопрограммного телевизионного вещания сигналы одной программы отличаются от сигналов другой, чтобы на приемной стороне можно было бы выбрать нужную программу. Это обеспечивается, как и в радиовещании, тем, что разные программы передаются на разных частотах. Для телевидения выделены три диапазона частот в области метровых волн и два диапазона в области дециметровых. Для каждой программы выделяется один канал шириной 8 МГц, а каждому каналу присваивается постоянный

порядковый номер. Первый и второй частотные каналы относятся к диапазону I, с третьего по пятый - к диапазону II, с шестого по двенадцатый - к диапазону III, с 21-го по 39-й - к диапазону IV, а с 40-го по 80-й - к диапазону V. В табл. 1. 1 и 1. 2 приведены основные параметры телевизионных частотных каналов в области метровых и дециметровых волн: /и -несущая частота канала изображения; fэ-несущая частота канала звука; fс -средняя несущая частота; lи - длина волны канала изображения; lз - длина волны канала звука; -1с - средняя длина волны. При изготовлении телевизионной антенны нужно знать номер частотного канала, по которому идет передача, но не путать его с номером программы.

Таблица 1.1 Основные параметры частотных каналов метровых воля

Таблица 1. 2 Основные параметры каналов дециметровых волн

Окончание табл. 1. 2

1.3. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН И ЗОНА УВЕРЕННОГО ПРИЕМА

Уверенным приемом называют такие условия приема передач, когда независимо от погоды, состояния солнечной активности, времени суток и года, температуры и влажности воздуха, а также других факторов обеспечивается прием программ заранее выбранного телевизионного передатчика.

Официальная зона уверенного приема определяется расстоянием прямой видимости передающей антенны до точки установки приемной антенны. При этом исходят из того, что ультракороткие волны (УКВ), на которых ведутся телевизионные передачи, распространяются прямолинейно, подобно свету, не огибают земную поверхность и не отражаются ионосферой в противоположность волнам коротковолнового диапазона. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна с радиусом сферы около 6370 км, можно вывести следующую формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

D = 3, 57 (H^0. 5+ h^0. 5),

где D - максимальная дальность прямой видимости, км; Н - высота передающей антенны, м; h - высота приемной антенны, м.

Формула не учитывает фактического рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально ровной сферической поверхности Земли. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеют место и дифракция, и рефракция радиоволн. Дифракцией радиоволн называют явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями, когда они огибают препятствие и проникают в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. Когда передающая и приемная антенны разделены выпуклостью земного шара, дифракция радиоволн является одной из причин приема сигналов за пределами прямой видимости. Эффект дифракционного проникновения радиоволны в область тени зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны и выражен тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому в диапазоне УКВ, где длина волны сравнительно мала, эффект дифракции не так велик, как в диапазоне длинных или средних волн, но все-таки имеет место.

Распространению радиоволн за пределы прямой видимости также способствует явление, называемое нормальной тропосферной рефракцией (преломлением). Показатель преломления зависит от давления и температуры воздуха, которые убывают с высотой. Это приводит к увеличению максимальной дальности возможного уверенного приема телевизионных передач по сравнению с максимальной дальностью, ограниченной условиями прямой видимости.

Помимо явлений дифракции и нормальной рефракции дальнему распространению радиоволн способствует их рассеяние различными наземными металлическими предметами в виде железобетонных масс зданий, мостов, мачт, а также неоднородностями в верхних слоях атмосферы. В результате рассеяния возникают вторичные излучения сигнала, которые, конечно, значительно слабее по мощности основного. Однако при наличии

высокоэффективной антенны и достаточно чувствительного телевизионного приемника можно считать реальным достижение уверенного приема телевизионных передач благодаря упомянутым выше явлениям на значительно больших расстояниях, чем дает формула дальности прямой видимости. Практика подтверждает такой вывод. Действительно, подставив в формулу высоты передающей 525 м (высота Останкинской телебашни) и приемной 30 м антенн, получим дальность, равную 101 км, хотя известно, что в действительности передачи телецентра в Останкине хорошо видны па значительно больших расстояниях.

Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием телевидения, можно поэтому разбить на две зоны: прямой видимости и полутени. В зоне прямой видимости напряженность электромагнитного поля сигнала достаточно велика, и прием возможен с помощью обычных антенн. Расширить зону прямой видимости данного телевизионного передатчика в целях использования сравнительно простой антенны можно лишь увеличением высоты ее установки. Однако в связи с тем, что высот приемной антенны обычно значительно меньше высоты передающей, расширение зоны прямой видимости таким способом оказывается незначительным. Так, в приведенном выше примере увеличение высоты приемной антенны с 30 до 60 м дает расширение зоны прямой видимости с 101 лишь до 109 км. В зоне полутени напряженность поля сигнала значительно ниже, чем в зоне прямой видимости, так как в зону полутени проникает лишь небольшая часть энергии сигнала, излученного передающей антенной. Это вынуждает использование в зоне полутени для уверенного приема высокоэффективных антенн, которые отличаются от сравнительно простых большими размерами и значительно более сложной конструкцией.

Как уже было отмечено, с уменьшением длины волны явления дифракции ослабевают. При этом увеличивается затухание сигнала в атмосфере за счет поглощения энергии различными посторонними частицами (пыль, снег, дождь, туман) и молекулами воздуха. Поэтому протяженность зоны полутени зависит от длины волны, т. е. от номера частотного канала. При достаточно большой мощности телевизионного передатчика, когда ведется прием передач программного телецентра, зона полутени ограничена расстоянием 200... 220 км от передатчика, работающего на 1-2-м каналах, 160... 180 км от передатчика, работающего на 3-5-м каналах, 120... 150 км от передатчика, работающего на 6-12-м каналах. Зоны полутени для диапазона дециметровых волн практически не существует. Кроме того, наблюдается повышенное затухание сигнала в атмосфере для этого диапазона. Вот почему можно считать, что зона уверенного приема дециметрового телевизионного передатчика ограничивается расстоянием прямой видимости, уменьшенным примерно в 1, 2 раза.

Следует заметить, что указанные границы зоны полутени и границы зоны прямой видимости не являются резкими, а в значительной степени размыты. Кроме того, они очень приближенны, так как совершенно не учитывают фактического рельефа местности. При наличии на трассе высоких холмов и горных преград максимальные расстояния уверенного приема могут оказаться значительно меньшими, а уверенный прием даже при небольших расстояниях от передатчика может оказаться совершенно невозможным. За границей зоны полутени напряженность поля практически

равна нулю, и устойчивый прием нeocyщесвим даже при наличии высокоэффективных антенн.

1. 4. ПРИЕМ СИГНАЛОВ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Когда прием телевизионных программ происходит в крупном населенном пункте, оснащенном телецентром или ретранслятором, вопрос о выборе источника сигнала обычно не стоит. В условиях же сельской местности, дачного поселка, садового участка или на ферме всегда приходится решать вопрос о том, сигналы какого телецентра или ретранслятора целесообразнее всего принимать. Такой выбор необходим в тех случаях, когда телевизор расположен вдали от телецентров и ретрансляторов и несколько из них передают одну и ту же программу на разных каналах. Требуется выбрать тот, который обеспечит наиболее устойчивый прием. При этом нужно учитывать расстояние до передатчика по прямой, рельеф местности между передатчиком и пунктом приема, мощность передатчика и номер канала, на котором он работает.

Если мощность передатчика не известна, можно ориентироваться на установленную для данного передатчика протяженность зоны уверенного приема. При необходимости мощности передатчиков или зоны их уверенного приема, а также номера частотных каналов, по которым ведутся передачи ближайшими передатчиками, и программы, которые они транслируют, можно узнать в областном комитете по телевидению и радиовещанию.

Не всегда следует останавливаться на ближайшем передатчике: иногда его мощность значительно меньше, чем более удаленного. В других случаях уровень сигнала удаленного передатчика в точке приема может оказаться выше из-за того, что он имеет более высокую антенну, расположен выше над уровнем моря или между ближайшим передатчиком и пунктом приема имеются естественные преграды в виде возвышенностей, гор или холмов. Конечно, оценка по анализу этих факторов может быть очень приближенной. Поэтому лучше ознакомиться с работой телевизоров, установленных поблизости. Если у них качество изображения плохое, но используются простые антенны, есть основания полагать, что установка более эффективной антенны позволит улучшить прием.

От выбора типа антенны и тщательности ее выполнения зависит уровень сигнала на входе телевизора, определяющий контрастность изображения и его качество, возможность получения цветного изображения. Для приема одной программы необходима узкополосная антенна, рассчитанная на прием определенного канала, на котором работает передатчик. Такие антенны обладают наибольшей эффективностью по сравнению с широкополосными антеннами, предназначенными для приема нескольких программ по разным каналам. Если выбранный телецентр или ретранслятор передает несколько программ, в зоне прямой видимости можно установить широкополосную антенну. Однако в зоне полутени придется установить в этом случае раздельные антенны для каждой программы. При необходимости принимать несколько программ с разных направлений, безусловно, требуются раздельные антенны, каждая из которых должна быть узкополосной и рассчитана на прием того частотного канала, на котором работает соответствующий передатчик. Это связано с тем, что переориентировать антенну каждый раз при переходе с приема одной программы на другую крайне неудобно. Трудность использования раздельных антенн для каждой программы состоит в необходимости вести от каждой антенны отдельный фидер, что затрудняет переход с одной антенны на другую, связанный с необходимостью переключения штекеров к антенному гнезду телевизора. Однако эта трудность легко преодолевается, если использовать разделительный фильтр, который позволяет подключить к одному общему фидеру две раздельные антенны. Если же число установленных антенн больше двух, дополнительная коммутация может быть осуществлена контактами электромагнитного реле, управление которым производится дистанционно. Описания и схемы таких устройств для подключения нескольких раздельных антенн к общему фидеру рассмотрены в разделе 8. 2.

На прием телевизионного сигнала очень большое влияние оказывает правильное очень тщательное ориентирование приемной антенны. Она должна быть направлена на передатчик таким образом, чтобы изображение на экране телевизора имело наибольшую четкость по горизонтали, отсутствовали повторные изображения слева и справа от основного, на границах между черным и белым не было серых хвостов, которые называются "тянучками", или окантовок, которые называются "пластикой". Поэтому ориентирование антенны лучше всего выполнять при приеме телевизором телевизионной испытательной таблицы, которая объективно отражает качество изображения. Это необходимо из-за того, что таблица представляет собой неподвижное изображение, на котором лучше видны дефекты картинки, и содержит специальные элементы для количественной оценки четкости изображения по горизонтали и по вертикали, наличия или отсутствия тянучки или пластики. При приеме же сюжетных изображений, а тем более движущихся, сделать это невозможно. К тому же заранее не известно, какого качества изображение передается в данный момент.

1. 5. ПРИЕМ СИГНАЛОВ РАДИОВЕЩАНИЯ

Структура радиовещательного сигнала значительно отличается от структуры сигнала телевидения главным образом шириной частотного спектра. В состав полного телевизионного сигнала помимо собственно сигнала изображения входят гасящие импульсы строк и полей, синхронизирующие импульсы строчной и кадровой разверток, врезки и уравнивающие импульсы. Сигнал изображения также не является гладким, непрерывным:

для передачи мелких элементов изображения, соответствующих четкости в 500 элементов вдоль строки, сигнал должен содержать импульсы длительностью 0, 2 мкс. Для этого требуется передавать широкий спектр частот, превышающий 6, 5 МГц. Именно по этой причине телевидение передается в диапазоне УКВ: ведь суммарная ширина частотного диапазона длинных и средних волн составляет всего 1, 5 МГц, а диапазона коротких волн с 25 до 75 м - 8 МГц. Весь диапазон коротких волн пришлось бы отдать лишь одной

телевизионной программе, прекратив работу коротковолновых радиостанции всего мира, которых насчитываются многие сотни.

В связи с тем, что цель радиовещания состоит в передаче звуковой информации, ширина частотного спектра радиовещательной станции сравнительно невелика. Так как высшая частота звука, воспринимаемого органами слуха человека, не превышает 16 кГц, для передачи звуковых сигналов при амплитудной модуляции достаточно передавать спектр шириной 32 кГц. В действительности же радиовещательные станции с амплитудной модуляцией передают более узкий спектр частот, не превышающий 14 кГц. Это связано с тем, что и при таком узком спектре достигается вполне удовлетворительное качество звука, но вдвое увеличивается количество радиостанций, которые можно разместить в выделенных для радиовещания диапазонах частот длинных волн (ДВ), средних волн (СВ) и коротких волн (KB).

Значительно большие возможности для высококачественного радиовещания представляются при использовании диапазона УКВ, где практически можно разместить неограниченное количество радиостанций благодаря большой ширине этого диапазона и ограниченному радиусу действия каждой из них. В диапазоне УКВ каждой радиостанции допустимо выделить достаточно широкую полосу частот, что позволяет использовать вместо амплитудной частотную модуляцию сигнала (ЧМ), которая устраняет влияние атмосферных и индустриальных помех, имеющих амплитудный характер.

Международными соглашениями для радиовещания выделены диапазоны частот в пределах от 150 до 405 кГц (ДВ), от 525 до 1605 кГц (СВ), а также участки в диапазоне KB, носящие название поддиапазонов:

3950... 4000 кГц - 75 м,

5950... 6200 кГц - 49 м,

7160... 7300 кГц- 41 м,

9500... 9775кГц-31 м, 11700... 11975 кГц-25м,

15100... 15450 кГц- 19м,

17700... 17900 кГц- 16м, 21450... 21750 кГц - 13м, 25600... 26100 кГц- 11 м.

В диапазоне УКВ в странах бывшего СССР и большинстве стран Восточной Европы радиовещание ведется в участке частот от 65, 8 до 73, 0 МГц, а в других странах мира в пределах от 88 до 108 МГц (этот участок у нас занят телевидением 4-го и 5-го каналов).

Радиовещание в диапазоне ДВ характеризуется тем, что при достаточной мощности радиостанции прием сигнала оказывается возможным на очень больших расстояниях порядка 2000 км. Это объясняется с одной стороны наличием так называемой "земной волны", когда радиоволны огибают земную поверхность, и с другой - значительной рефракцией от нижних ионизированных слоев атмосферы. При большой протяженности территории России это свойство диапазона ДВ особенно важно. К недостаткам этого диапазона относятся его относительная узость, которая препятствует

увеличению количества радиостанций, и высокий уровень индустриальных помех.

Радиовещательные станции диапазона СВ обеспечивают прием на расстояниях порядка 1000 км, но особенности этого диапазона состоят в различном уровне рефракции в течение светлого и темного времени суток. Днем рефракция ослабевает и дальность приема уменьшается, в ночное же время напряженность поля даже при большом удалении от передатчика значительно возрастает. Радиовещание в диапазоне СВ чрезвычайно популярно во всем мире, по своей ширине он позволяет разместить в 4 раза больше радиостанций, чем диапазон ДВ. В нем работают как радиостанции мощностью в десятки ватт, так и в сотни киловатт. Приверженность радиослушателей к диапазону СВ привела даже к тому, что промышленность многих стран выпускает радиовещательные приемники, рассчитанные на прием либо только одного средневолнового диапазона, либо двух: СВ и УКВ (конечно, помимо более дорогих всеволновых приемников).

В диапазоне KB земная волна сильно поглощается поверхностью Земли. Поэтому прием за счет земной волны ограничивается небольшим расстоянием порядка 100 км. Но волны этого диапазона интенсивно отражаются ионосферой. За счет многократных отражений от ионосферы и от Земли радиоволны диапазона KB способны многократно огибать земной шар, причем в процессе отражений волны этого диапазона испытывают небольшое поглощение. Это позволяет использовать короткие волны для связи на сколь угодно больших расстояниях. Интересна история радиовещания в диапазоне КВ. На заре развития радиосвязи профессиональные радиостанции работали только на длинных и средних волнах, а диапазон KB считался для радиосвязи непригодным. Мощность передатчиков в то время была невелика, да и чувствительность приемников - плохая. Поэтому дальность распространения земной волны составляла несколько десятков километров. О возможности использования отражений от ионосферы тогда специалисты не подозревали. Этому способствовало наличие зоны молчания, которой называют образующуюся вокруг работающего коротковолнового передатчика кольцевую область, где прием сигнала отсутствует. Внутренний радиус зоны молчания определяется затуханием земной волны, а внешний зависит от условий полного внутреннего отражения радиолуча в слое ионосферы. Ведь отражаются только радиоволны, излученные под углами к поверхности Земли, меньшими некоторого критического угла. Чем меньше этот угол, тем больше внешний радиус зоны молчания. По указанной причине диапазон KB был отдан радиолюбителям, которые в 1922 году открыли свойство коротких волн распространяться на большие расстояния благодаря преломлению в слоях атмосферы и отражению от них. Только после этого в диапазон KB ринулась лавина связных и радиовещательных станций, заполнив его почти целиком. Радиолюбителям же отвели лишь несколько узеньких участков, в пределах которых они могут вести между собой радиосвязь, используя несложные приемники и передатчики ничтожной мощности для связи с любой точкой земного шара.

Наличие зоны молчания является одним из недостатков диапазона КВ. Если внутренний радиус зоны молчания зависит только от мощности передатчика, рельефа местности и состояния почвы - поэтому для каждой радиостанции он почти стабилен - то внешний радиус сильно зависит от солнечной активности, времени года и времени суток, а также и от частоты сигнала. С наступлением темноты внешний радиус возрастает. Вместе с тем, при этом из-за уменьшения количества отражений напряженность поля в точке приема, если она находится вне зоны молчания, увеличивается. Внешний радиус зоны молчания также увеличивается при увеличении частоты сигнала. Другим недостатком коротковолнового диапазона являются глубокие замирания сигнала, которые связаны с нестабильностями электронной концентрации в ионизированных слоях атмосферы. В условиях профессионального приема на магистральных линиях связи с замираниями борются методом сдвоенного приема, который состоит в том, что используются две разнесенные в пространстве антенны, каждая из которых работает на отдельный приемник, а после детектирования их сигналы складываются. Для радиослушателя использование двух антенн, разнесенных на необходимое расстояние, недоступно. Поэтому единственный способ борьбы с замираниями состоит в применении радиоприемника, имеющего большой запас усиления и эффективную систему автоматической регулировки усиления (АРУ).

1. 6. РЕТРАНСЛЯЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРОГРАММ ЧЕРЕЗ ИСЗ

Рассмотрим кратко некоторые вопросы, связанные со спутниковым телевизионным вещанием - передачей телевизионных программ от передающих наземных станций к телевизионным приемникам через активный космический ретранслятор, размещенный на искусственном спутнике Земли

(ИСЗ).

Основной принцип создания спутникового вещания состоит в использовании промежуточного активного ретранслятора, установленного на ИСЗ, который движется на высокой орбите длительное время без затрат энергии на это движение. Первые опыты по дальней ретрансляции телевизионных передач с помощью активных ретрансляторов, расположенных на больших высотах над поверхностью Земли, были осуществлены в СССР в 1957 году. Еще в начале 1937 года П. В. Шмаковым было технически обосновано предложение установки таких ретрансляторов на самолетах, однако в то время это предложение не было актуальным. В 1957 году после выполнения большой научно-экспериментальной работы была осуществлена такая ретрансляция телевизионных передач с VI Всемирного фестиваля молодежи и студентов из Москвы в Смоленск, Киев и Минск. Для ретрансляции использовались самолеты типа ЛИ-2 с высотой полета около 4000 м. В дальнейшем, в связи с большими успехами в освоении космического пространства, появилась возможность установки активных ретрансляторов на ИСЗ. Для спутниковой ретрансляции телевизионных передач в основном используют два вида спутников: спутники, обращающиеся на вытянутых эллиптических орбитах, и спутники, размещенные на геостационарной орбите.

Использование ИСЗ для телевизионного вещания в СССР началось с запуска первого спутника связи "Молния" 23 апреля 1965 года. Впоследствии было запущено еще несколько ИСЗ типа "Молния". Эти спутники обращаются на вытянутых эллиптических орбитах с высотой перигея (минимальная высота над поверхностью Земли) 500 км и апогея (максимальная высота) 40 тыс. км. Плоскость орбиты этих спутников наклонена относительно плоскости земного экватора на 63, 4°. Период обращения спутников "Молния" составляет 12 часов. Таким образом, в течение суток спутник делает два оборота вокруг Земли. Согласно второму закону Кеплера на большой высоте, в области апогея, спутник движется медленно, а размещен он на орбите так, что в это время пролетает над северным полушарием Земли. На малой высоте, в области перигея, когда ИСЗ находится над южным полушарием, его скорость значительно больше. Обслуживание всей территории СССР одним ИСЗ этого типа было возможно в течение 8 часов в сутки. Поэтому использование трех ИСЗ позволяло обеспечить круглосуточную ретрансляцию. Бортовой передатчик ретранслятора, установленного на ИСЗ "Молния", работает на частоте 3875 МГц с выходной мощностью 40 Вт при частотной модуляции сигналами изображения несущей частоты. Питание аппаратуры осуществляется от солнечных батарей. Ретрансляция телевидения с использованием ИСЗ "Молния" производится по системе "Орбита". Кроме телевидения эта система обеспечивает ретрансляцию звукового радиовещания и изображения газетных полос.

Земные приемные станции этой системы - сложные и дорогостоящие сооружения, состоящие из здания с параболической антенной диаметром 12 метров. В связи с непрерывным движением спутника относительно земной станции, антенна станции должна постоянно поворачиваться, обеспечивая ориентирование на спутник. Для этого антенна установлена на полноповоротном опорном устройстве и снабжена устройством ручного и программного наведения с комплексом автоматического наведения по максимуму принятого сигнала. Приемные устройства земных станций для улучшения чувствительности содержат малошумящие охлаждаемые параметрические усилители, блоки преобразования частотной модуляции в амплитудную, блоки регенерации синхросигнала, системы подавления помех и искажений. Наконец, все блоки устройства обеспечены двойным резервированием с системами автоматического контроля и переключения на резерв. Выходные сигналы телевизионной программы с земной станции "Орбита" подаются к местному телевизионному передатчику, который осуществляет трансляцию принятой программы для ее приема бытовыми телевизионными приемниками обычного типа с помощью обычных индивидуальных или коллективных антенн.

Использование сложных и дорогостоящих земных станций "Орбита" было целесообразно лишь для доставки телевизионных программ в крупные населенные пункты. Для ретрансляции телевидения в населенные пункты с численностью населения в несколько тысяч человек необходимы более простые и дешевые земные станции. Это требует повышенной мощности передатчика спутникового ретранслятора, что позволит упростить приемное устройство земной станции, а также использовать ИСЗ, расположенный на геостационарной орбите, что исключит необходимость непрерывного наведения приемной антенны на спутник.

Еще в 1945 году английский инженер Артур Кларк, известный впоследствии как писатель-фантаст, предложил использовать для спутников связи геостационарную орбиту с периодом обращения 24 часа, которая имеет форму окружности, лежащей в плоскости земного экватора с высотой над поверхностью Земли 35875 км. Если направление обращения спутника совпадает с направлением суточного вращения Земли, для земного наблюдателя такой спутник кажется стоящим неподвижно в определенной точке небесной полусферы. Тогда отпадает необходимость в сложной системе постоянного наведения антенны земной станции на спутник и системы автоматического сопровождения. Благодаря неизменному расстоянию до спутника стабилизируется уровень входного сигнала и устраняется изменение его частоты за счет эффекта Доплера. Связь может осуществляться круглосуточно и без перерывов, необходимых для перехода с одного ИСЗ на другой. Наконец, облегчается энергоснабжение аппаратуры, так как спутник почти постоянно освещается Солнцем. К недостаткам геостационарной орбиты относятся плохое обслуживание приполярных областей Земли и необходимость расположения космодрома на экваторе, иначе для выведения спутника на такую орбиту требуется значительное увеличение мощности ракеты-носителя. Тем не менее эти недостатки окупаются простотой и дешевизной большого числа земных станций. Но самое главное - это возможность осуществления непосредственного приема телевизионных передач телезрителями с геостационарного спутника без промежуточного наземного ретранслятора.

Ни одна из космических держав не располагает для размещения космодрома экваториальными территориями на Земле. Поэтому в 1995 году по давно высказанной С. П. Королевым идее был разработан международный проект с участием России "Se Launch" ("Морской старт") для строительства пусковой ракетной установки, размещенной на морской платформе в Тихом океане на экваторе. Запуск ракеты с экваториального космодрома позволяет в полной мере использовать для ее разгона центробежную силу вращения Земли и не требует дополнительного топлива для ее перевода с наклонной орбиты на экваториальную. Строительство этой установки завершается и первый запуск с нее спутника состоится в октябре 1998 года.

К 1985 году Международным комитетом регистрации частот было зарегистрировано 128 систем связи через геостационарные спутники, а к настоящему времени на геостационарной орбите расположено уже несколько сот ИСЗ. В СССР впервые на геостационарную орбиту (26 октября 1976 года) был запущен ИСЗ "Экран" с координатой 99 восточной долготы (вд), и передатчиками, работающими на частотах 714 и 754 МГц дециметрового диапазона мощностью 200 Вт. Это позволило создать систему спутниковой телевизионной ретрансляции "Экран-М", в которой с помощью сравнительно простых наземных установок принятый сигнал подавался к местным телецентрам и ими транслировался на метровых диапазонах телезрителям. Имелась также возможность непосредственного коллективного или индивидуального приема сигнала с ИСЗ путем использования серийно выпускавшихся промышленностью специальных приемных устройств - станций спутникового телевидения "Экран-КР-1" и "Экран-КР-10" с выходной мощностью соответственно 1 и 10 Вт для коллективного приема и абонентского приемника "Экран" для индивидуального приема, который мог подключаться к обычному бытовому телевизору черно-белого или цветного изображения.

Затем в системе спутниковой связи "Москва" были использованы пять ИСЗ "Горизонт", размещенных на геостационарной орбите с координатами 14 западной долготы (зд), 53, 80, 90 и 140 вд, которые обеспечили ретрансляцию программ Центрального телевидения в различные регионы страны и государства Европы, Азии, Африки и Америки с временным сдвигом от двух до восьми часов. Частота передатчиков этих ретрансляторов - 3675 МГц, а выходная мощность 40 Вт.

1.7. НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРИЕМ СО СПУТНИКА

Для непосредственного приема населением телевизионных программ, транслируемым через ИСЗ, необходимо, чтобы излучаемый спутниковым ретранслятором сигнал полностью соответствовал параметрам сигнала, на который рассчитаны бытовые телевизионные приемники, т. е. диапазонам волн, способу модуляции сигналов изображения и звука, структуре гасящих и синхронизирующих импульсов и другим параметрам. Однако в метровом и дециметровом диапазонах, на которые рассчитаны бытовые телевизоры, осуществить многопрограммные передачи со спутников оказывается невозможно, так как для этого спутник должен быть оснащен антеннами слишком больших размеров, а мощность источников питания бортового ретранслятора должна значительно превышать достижимую. Поэтому понятие непосредственного приема телевидения (НТВ) в настоящее время принято условно, а бытовой телевизор помимо установки специальной антенны должен быть оснащен дополнительным приемным и преобразующим устройством принятого сигнала.

Исходя из такого, принятого в настоящее время, понятия НТВ к нему можно отнести системы "Экран-М" и "Москва". Однако система "Экран-М" является однопрограммной и в дециметровом диапазоне уже нет свободных каналов, которые широко используются в мире для наземного телевизионного вещания. Увеличение числа транслируемых программ системой "Москва" также невозможно, так как весь частотный диапазон 3, 6... 4, 2 ГГц, в котором работают спутники "Горизонт", занят спутниковыми системами телевидения и служебной связи других государств. По этим причинам для НТВ выбран диапазон частот 10, 7... 12, 75 ГГц со средней длиной волны 2, 5 см. Ширина этого диапазона составляет 2050 МГц и в нем может свободно разместиться очень большое число телевизионных каналов. Преимущество этого диапазона также состоит в том, что благодаря достаточно малой длине волны приемные земные антенны при сравнительно малых габаритах обладают большим коэффициентом усиления. В табл. 1. 3 показана зависимость коэффициента усиления параболической антенны, выраженного в децибелах (Кдб) и коэффициента усиления той же антенны (К) по напряжению от диаметра параболоида (D).

Таблица 1. 3 Зависимость коэффициента усиления антенны от диаметра

В настоящее время разными странами мира уже используется очень большое число геостационарных спутников с телевизионными ретрансляторами этого диапазона, которые предназначены для НТВ. Они сведены в табл. 1. 4, которая составлена по материалам, опубликованным в журнале "Радио" • Наиболее известны ИСЗ "Астра", расположенный под 19 вд и "Hot Bird" (Жар-Птипа) - 13 вд, которые транслируют большое число телевизионных программ с разной тематикой и на самых разных европейских и азиатских языках. Сюда относятся спортивные, развлекательные, семейные и информационные передачи, передачи для женщин и детей, видеоклипы и художественные фильмы. На некоторых каналах звуковое сопровождение является стереофоническим. Сигнал излучается с линейной поляризацией - горизонтальной или вертикальной для развязки между соседними каналами.

В таблице указаны названия спутников по международному реестру и их позиции на орбите (з. д. - западная долгота, в. д. - восточная долгота), наименование каналов, частота несущей, поляризация излучения (Г - горизонтальная, В - вертикальная, Л - левая круговая, П - правая круговая), система передачи видеосигнала, частота поднесущей звука в МГц с указанием: М -моно, С - стерео; основной язык звукового сопровождения.

Таблица 1. 4 Позиции спутников на геостационарной орбите и каналы вещания

Таблица 1. 4

Таблица 1. 4

Таблица 1. 4

Таблица 1. 4

В январе 1994 года Россией был выведен на геостационарную орбиту ИСЗ "Галс-1", а в ноябре 1995 года - "Галс-2" с координатой 36 вд, с помощью которых вещательная компания "НТВ-Плюс" осуществляет ретрансляцию четырех тематических телевизионных программ: "Мир кино", ''Haше кино", "Спорт" и "Музыка". Передачи этих программ идут на русском языке с несущими частотами 11, 765, 11, 834, 11, 919 и 12, 169 ГГц. Программы содержат отечественные и зарубежные кинофильмы, прямые репортажи спортивных соревнований со всего мира, музыкальные передачи, а также кинофильмы специального "Ночного канала". В первое время передачи каналов "НТВ-Плюс" можно было принимать бесплатно, но с 1997 года их стали кодировать, что требует для приема вносить соответствующую абонементную плату. В 1999 году компания намечает запустить новый спутник "Галс-16Р", который будет транслировать 16 программ. На следующем этапе компания намечает внедрить передачу телевизионного сигнала в цифровой форме и увеличить число каналов до 24.

Типовая установка для непосредственного приема телевидения в диапазоне II... 12 ГГц содержит параболическую антенну диаметром от 0, 6 до 1, 8 м, облучатель, антенную головку и внутренний блок (тюнер). Облучатель обычно совмещен с поляризатором, позволяющим выбрать необходимую поляризацию сигнала, и антенной головкой (модуль СВЧ), которую обычно называют конвертером. Для переключения поляризатора с горизонтальной поляризации на вертикальную на него подается постоянное напряжение: либо 13, либо 18 В. Конвертер состоит из малошумящего широкополосного усилителя (МШУ), полосового фильтра для защиты от помех по зеркальному каналу и гетеродина со смесителем для преобразования частотного спектра сигнала в более низкую промежуточную частоту, а также предварительного усилителя промежуточной частоты (ПУПЧ). Для перекрытия всего высокочастотного диапазона он разбит на два поддиапазона 10, 7... 11, 8 и 11, 7... 12, 75 ГГц, а гетеродин содержит электронный переключатель поддиапазонов, управление которым производится подачей на конвертер специального сигнала частотой 22 кГц. С модуля СВЧ сигнал в диапазоне 950... 1750 МГц по коаксиальному кабелю подается к тюнеру, расположенному в помещении около телевизора. Наличие антенной головки и передача по кабелю промежуточной частоты позволяют избежать больших потерь, неизбежных при прохождении по кабелю сигнала частотой 12 ГГц. Напряжение питания (13 или 18 В) поступает с тюнера к антенной головке по тому же кабелю. Кроме того по этому же кабелю с тюнера подается сигнал частотой 22 кГц для переключения поддиапазонов. Параметры некоторых полнодиапазонных (Full Band) конвертеров приведены в табл. 1. 5.

В усилителе первой промежуточной частоты тюнера осуществляется основное усиление сигнала и затем его преобразование на вторую промежуточную частоту, для чего используется второй гетеродин. Затем следует демодуляция частотно-модулированного сигнала и формирование стандартного телевизионного сигнала, на который рассчитаны бытовые телевизоры. Выбор необходимого частотного канала производится соответствующей настройкой второго гетеродина подачей определенного напряжения на варикап. Тюнер содержит систему эффективной автоматической регулировки усиления для нормальной работы установки в различных условиях приема. Выходной сигнал тюнера по одному из метровых или дециметровых каналов подается на антенный вход телевизионного приемника. Может быть также

Таблица 1. 5 Параметры конвертеров Full Band

предусмотрено наличие видео- и аудиовыхода для непосредственной подачи полного телевизионного сигнала на видеовход телевизора или видеомагнитофона, а сигнала звукового сопровождения - на вход звука.

На мировом рынке многочисленные фирмы предлагают широкий ассортимент тюнеров для спутникового телевидения. Все они построены по супергетеродинной схеме. Имеются узкополосные тюнеры, собранные по упрощенной схеме и рассчитанные на прием только одного или двух каналов с одного спутника. Более сложные многоканальные тюнеры собраны по схеме двойного преобразования частоты. В таких тюнерах гетеродин первого преобразователя может перестраиваться в широких пределах с помощью синтезатора напряжений настройки и оснащен кнопочной настройкой. Число возможных каналов настройки у некоторых тюнеров достигает 500, а номер канала набирается поразрядно несколькими кнопками. Основное усиление происходит в усилителе второй промежуточной частоты, за которым следуют, как и у узкополосных тюнеров демодулятор частотно-модулированного сигнала, тракты изображения и звука и формирователь стандартного телевизионного сигнала. В табл. 1. 6 приводятся основные параметры некоторых наиболее распространенных тюнеров, которые выпускаются разными фирмами: fвx - диапазон частот входного сигнала, fгет - диапазон частот первого гетеродина, наличие переключателя поддиапазонов гетеродина LOF-1 и LOF-2 и другие параметры. Тюнеры снабжаются инфракрасными пультами дистанционного переключения каналов и управления другими функциями тюнера с дальностью действия до 10м.

В заключение этого раздела необходимо вкратце ознакомить читателя с новейшими системами построения телевизионного сигнала, которые позволяют значительно повысить качество изображения и помехоустойчивость, а также уплотнить частотный спектр сигнала. Используемые ныне системы

черно-белого и цветного телевидения являются аналоговыми, когда в течение каждой строки напряжение видеосигнала изменяется непрерывно в соответствии с яркостью и цветностью изображения. Но из-за того, что сигнал передается построчно, его частотный спектр не является гладким, а содержит лишь гармоники частоты строк. При этом для уплотнения спектра частотные составляющие сигнала яркости располагаются между составляющими сигнала цветности. В приемнике полностью разделить яркостные и цветностные сигналы не удается и возникают искажения. Кроме того, частотный спектр остается разреженным и не используется полностью. Если аналоговый сигнал каждой строки заменить цифровым, частотный спектр окажется значительно более уплотненным, и это позволит поочередно передавать сигналы яркости и цветности, а в приемнике не потребуется их разделять. На этом принципе было разработано несколько систем уплотнения.

Система D2-MAC сочетает аналоговую и цифровую форму сигналов. Сигналы синхронизации и звуковое сопровождение передаются в цифровой форме во время, обычно отведенное строчному синхроимпульсу (10 мкс в начале каждой строки), в течение следующих 17 мкс передается аналоговый сигнал цветности, а в оставшиеся 37 мкс - сигнал яркости. В результате значительно улучшается качество изображения, улучшается его четкость, а вместо одного канала звукового сопровождения телевизионной передачи появляется возможность передавать четыре монофонических или два стереофонических канала.

Еще более совершенной является система, которая использует сжатый спектр сигналов изображения в цифровой форме в сочетании с удалением избыточности информации. При передаче движущихся изображений каждый последующий кадр изменяется не полностью, а только та его часть, которая относится к движению. Тогда нет нужды в течение каждого кадра передавать изображение всей картинки, а достаточно передать только ее изменения. При этом повторяющаяся информация из кадра изымается. Оказалось, что также нет необходимости передавать строчные и кадровые гасящие импульсы: они входят в состав полного телевизионного сигнала лишь по традиции. Дело в том, что на заре телевидения в самом телевизионном приемнике эти импульсы не вырабатывались, а использовались гасящие импульсы, передаваемые телецентром. Тогда же выяснилось, что амплитуда гасящих импульсов, принятых в составе полного телевизионного сигнала, часто оказывается недостаточной для полного гашения луча кинескопа на время обратного хода строчной и кадровой разверток. Особенно это было заметно при низком уровне сигнала. Достаточно вспомнить работу телевизоров КВН-49 и < Ленинград Т-2 >. Поэтому в последующих моделях телевизоров гасящие импульсы пришлось генерировать в самом телевизоре, и для этого достаточно наличие в полном телевизионном сигнале лишь синхроимпульсов. Эти идеи используются в системах MPEG. Насколько цифровое сжатие спектра позволяет уплотнить сигнал, можно судить хотя бы по тому, что в продаже уже появились аудио компакт-диски, записанные по системе MPEG3, на которых удается разместить сотни музыкальных произведений с общим временем звучания диска более 20 часов.

Наконец, долгое время разрабатывалось и во многих странах мира уже внедрено широкоформатное телевидение высокой четкости (ТВЧ) и выпускаются телевизоры с форматом экрана 16: 9 вместо прежнего 4: 3. Нельзя

Таблица 1. 6 Тюнеры спутникового телевидения

рассчитывать на то, что даже незначительная часть многомиллиардного населения Земли в ближайшее десятилетие согласится заменить свои телевизоры на новые, построенные по принципам перечисленных Ноу-хау. Однако в связи с тем, что для непосредственного приема телевизионных Передач с космических ретрансляторов все равно приходится к имеющемуся телевизионному приемнику приобретать приставку в виде тюнера, появляется реальная возможность начинать внедрение новейших систем именно при космической ретрансляции телевидения.