Беседа десятая СИНХРОИМПУЛЬСЫ И ВОЛНЫ
Беседа десятая
СИНХРОИМПУЛЬСЫ И ВОЛНЫ
После изучения различных передающих трубок Любознайкин опишет общий состав телевизионного передатчика. Он в известной мере аналогичен радиовещательному передатчику, однако значительно сложнее его из-за необходимости модулировать несущую волну не только видеосигналом, но и синхронизирующими импульсами в конце каждой строки и кадра. Первые импульсы имеют простую форму, чего нельзя сказать о вторых. Таким образом, темой беседы Любознайкина и Незнайкина окажутся следующие вопросы: общая схема передатчика; электронный видоискатель; форма полного телевизионного сигнала; амплитудное разделение; гашение обратного хода; форма строчного и кадрового синхронизирующих импульсов; полоса видеочастот; передача на одной боковой полосе; используемые несущие частоты; частотный спектр изображения и звука.
ПЕРЕДАТЧИК В БАНКАХ
Любознайкин. — Для чего предназначен этот огромный лист белой бумаги, который ты разложил на столе, Незнайкин? Уже не собираешься ли ты рисовать афишу?
Незнайкин. — Нет. Но я предусмотрителен. Так как я тебя хорошо изучил, я ожидаю, что ты мне сегодня начертишь полную схему телевизионного передатчика. Если учесть его сложность, то размер моего листа вовсе не так уж велик.
Л. — Нет никакой необходимости знать во всех подробностях устройство и принципы работы передатчика. Тебе важно знать форму сигналов, которые он излучает, и общий принцип телевизионной передачи. Вот почему я описал различные телевизионные камеры. Схему же я начерчу на уголке твоего листа, так как она будет достаточно… схематичной.
Н. — Это то, что я называю «схемой в консервных банках». Каждая из твоих маленьких банок на самом деле частенько сложное сооружение. Но я признаю, что при таком способе изображения состав устройства становится яснее, так же как и связь между его основными частями.
Л. — Так вот «консервные банки», составляющие телевизионный передатчик (рис. 69). Я не стал изображать различные источники питания, включая и питание передающей трубки. Телевизионная камера также нарисована как можно схематичнее. Я, например, опустил электронный видоискатель.
Рис. 69. Блок-схема телевизионного передатчика.
1 — передающая камера; 2 — генератор кадровой развертки; 3 — генератор строчной развертки; 4 — видеоусилитель; 5 — синхрогенератор; 6 — смеситель; 7 — модулятор; 8 — усилитель высокой частоты; 9 — стабилизированный задающий генератор; 10 — усилитель мощности.
Н. — Что ты так называешь?
Л. — То, что соответствует оптическому видоискателю фотоаппарата, дающему возможность хорошо наблюдать и кадрировать объект съемки, а также навести на фокус. В телевидении для этого используется простейший телевизионный приемник, встроенный в камеру и получающий видеосигнал от соответствующего усилителя. Наблюдая за изображением на экране маленькой электронно-лучевой трубки, которой снабжен этот приемник, оператор, ведущий передачу, видит то же, что и миллионы телевизионных зрителей. Следовательно, он хорошо может кадрировать передаваемую сцену, так же как и управлять объективом и диафрагмой, чтобы обеспечить желаемую четкость во всех планах изображения.
Н. — Я вижу, что оба генератора развертки камеры соединены с генератором импульсов. Тот ли это прибор, который вырабатывает синхронизирующие импульсы?
Л. — Да, это синхрогенератор — довольно сложное устройство, так как он одновременно вырабатывает специальные сигналы в конце каждой строки и кадра. Частота кадровых сигналов составляет 50 гц при развертывании 25 изображений в секунду благодаря применению чересстрочной развертки. Частота строчных импульсов гораздо больше. Она равна количеству строк в каждом кадре, умноженному на количество кадров, передаваемых в секунду.
Н. — Применяются ли два независимых генератора этих сигналов?
Л. — Нет. Исходной является одна частота, которую множат или делят для получения требуемых сигналов.
Н. — Таким образом, «консервная банка», снабженная скромной этикеткой «синхрогенератор», оказывается хитроумным прибором.
Л. — Не забудь, что его роль не ограничивается управлением развертками телевизионной каморы. Его импульсы должны вводиться также в видеосигнал, чтобы обеспечить синхронизацию всех приемников.
Н. — Мне кажется, что это происходит в «смесителе», куда попадает сигнал камеры после видеоусилителя.
Л. — Правильно. Можно заметить также, что полный телевизионный сигнал используется в контрольном приемнике, схема которого проще схем обычных приемников, так как он не имеет высокочастотной части. Полный телевизионный сигнал, как и сигнал низкой частоты в радиовещании, используется для модуляции радиопередатчика, для чего его подают на модулируемый каскад, где осуществляется изменение амплитуды высокочастотных колебаний, генерируемых задающим генератором, очень стабильным по частоте. Наконец, после усиления мощности модулированные токи высокой частоты подаются в антенну, откуда их энергия излучается в виде волн.
СВЕТ ПОЯВЛЯЕТСЯ НИЖЕ 75 %
Н. — Если ты не возражаешь, последуем примеру этих волн и оставим передатчик, чтобы вернуться к приемнику.
Л. — Я думаю, что нам выгоднее всего временно остаться в пространстве между передающей и приемной антеннами, чтобы поближе познакомиться с формой передаваемого полного сигнала.
Н. — Разве мы не говорили, что этот модулированный сигнал передает яркости последовательно развертываемых элементов изображения?
Л. — Ты забыл, что к видеосигналу добавляются синхронизирующие импульсы.
Н. — Да, верно. После твоего короткого объяснения я над этим задумывался. Многое мне кажется неясным в этом вопросе. Как, например, отличить синхронизирующие импульсы от видеосигнала? Как, с другой стороны, можно отличить импульсы строк от кадровых импульсов?
Л. — Между видеосигналами и синхросигналами устанавливается различие по амплитуде. Существует два типа полных телевизионных сигналов, так называемые негативный и позитивный сигналы. Негативная передача принята в СССР, большинстве европейских стран и США, а позитивная — во Франции и Англии.
Негативный сигнал (рис. 70) отличается тем, что синхросигналы занимают область напряжений от 75 до 100 %, а сигнал собственно изображения — область от 75 примерно до 15 % максимальной амплитуды. Область же от 15 до 0 % остается непромодулированной. При этом уровню черного соответствуют 75, а уровню белого — только 15 % максимальной амплитуды. Все остальные градации яркости, или полутона, занимают область между этими двумя крайними значениями. Таким образом, увеличению яркости соответствует уменьшение сигнала и наоборот. Отсюда и наименование сигнала — негативный.
Рис. 70. Разные виды телевизионных сигналов (показаны две строки).
а — негативная передача; б — позитивная передача; в — негативный видеосигнал; г — позитивный видеосигнал; д — строчное развертывающее напряжение.
Н. — Следовательно, позитивный сигнал имеет противоположную полярность. Синхросигнал занимает область от 0 до 25 %, а собственно сигнал изображения — от 25 до 100 %. Таким образом, в этом случае увеличению яркости соответствует увеличение сигнала. В чем заключается разница между этими двумя типами передачи?
Л. — Негативная передача имеет ряд серьезных преимуществ. Прежде всего синхросигналы передаются на высоком уровне мощности, благодаря чему синхронизация приемников менее подвержена воздействию помех. Кроме того, импульсные помехи, иногда столь интенсивные в больших городах, создают на экране телевизора преимущественно менее заметные черные, а не ярко светящиеся пятна. Наконец, при негативной передаче можно проще осуществить прием звукового сопровождения очень прогрессивным методом биений несущих, о чем мы будем говорить дальше. Ты увидишь дальше также, что независимо от типа передачи, негативной или позитивной, видеосигнал после детектирования легко может быть получен в зависимости от необходимости позитивным, т. е. с синхроимпульсами, направленными в сторону отрицательных значений напряжения, или негативным с синхроимпульсами, направленными в сторону положительных значений.
Н. — Но какой же видеосигнал подается в приемнике на управляющий электрод приемной трубки? Он ведь должен изменять яркость пятна между максимумом и тем минимумом, который создается отсутствием всякого света и который мы называем черным.
Л. — Видеосигнал можно подавать как на управляющий электрод, так и на катод электронно-лучевой трубки. Принципиально это совершенно безразлично. Однако естественно, что в первом случае при увеличении напряжения видеосигнала яркость будет увеличиваться, а во втором случае — уменьшаться.
Н. — Я, кажется, понял. Для получения правильного позитивного, а не негативного изображения на экране трубки на управляющий электрод следует подавать позитивный видеосигнал, а на катод — негативный. Что же лучше?
Л. — Выбор того или иного способа возбуждения трубки определяется главным образом схемными особенностями телевизора: типом видеоусилителя, амплитудного селектора и пр. Впрочем, в случае непосредственной связи между анодом лампы видеоусилителя и электронно-лучевой трубкой следует предпочесть схему подачи сигнала на катод, так как в этом случае, как ты увидишь дальше, трубка находится в большей безопасности.
Н. — Надеюсь, что синхросигналы не подают на трубку вместе с видеосигналами. В противном случае пятно будет чернее черного, если можно так выразиться.
Л. — Так и говорят. И вопреки твоему мнению сигналы синхронизации подают на трубку вместе с видеосигналом. В чем ты видишь здесь неудобство? Тот факт, что пятно остается невидимым во время передачи сигналов синхронизации является, наоборот, большим преимуществом.
Н. — Я не вижу почему.
Л. — Нет, сегодня ты решительно не слишком проницателен. Подумай о направлении движения электронного пятна во время подачи сигналов синхронизации.
Н. — Они начинают свое обратное движение в конце строк или в конце кадров. А! Теперь я понимаю. Ведь очень важно, чтобы быстрое обратное движение не оставляло следов на экране. Вот почему оперируют с синхронизирующими сигналами, все значение которых чернее черного, начинающимися на площадке, расположенной на уровне черного (площадка v — е на рис. 70).
Л. — Не только поэтому. Разность амплитуд дает также возможность отделить в приемнике импульсы синхронизации от видеосигнала для подачи на соответствующие развертывающие устройства.
Н. — Теперь вся эта история с сигналами в области чернее черного становится для меня ясной. Полный сигнал подается на приемную трубку, чтобы изменять яркость пятна в соответствии с передаваемым изображением и гасить его во время обратного хода. С другой стороны, импульсы синхронизации, выделенные из полного сигнала, передают свой ритм разверткам строк и кадров.
СИГНАЛЫ В КОНЦЕ СТРОК
Н. — А какова длительность сигналов синхронизации?
Л. — Включая черную площадку d — е, которая следует за импульсом, длительность должна слегка превысить время обратного хода пятна, так чтобы пятно оставалось невидимым все это время. В соответствии с используемыми системами сигналы в конце строки занимают от 15 до 20 % общей длительности каждой строки. Когда мы с тобой говорили о развертке 625 строк, где общая длительность каждой строки 64 мксек, мы принимали время обратного хода равным 11 мксек. На самом деле длительность обратного хода немного меньше. А 11 мксек — это общее время, отводимое сигналу синхронизации вместе с обеими черными площадками (начало Ь — с и продолжение d — е на рис. 70).
Н. — Так, значит, сигнал в конце строки состоит из импульса длительностью 11 мксек?
Л. — Не торопись, Незнайкин. Длительность импульса составляет только 5 мксек. Ему предшествует и за ним следует короткая горизонтальная площадка на уровне черного, о чем мы уже говорили.
Н. — Если ты не возражаешь, я повторю все, что происходит за время одной строки. Во-первых, в течение 80–85 % ее длительности видеосигнал (а — b) передает яркости соответствующих точек изображения. Развертывающие устройства приемника и передатчика воспроизводят восходящую часть зубьев пилы. Затем в течение короткого промежутка времени (b — с) сигнал поддерживается на уровне черного, тогда как движение пятна пока продолжается в том же направлении. Тут появляется собственно синхронизирующий импульс. В момент его появления (с) начинается разряд развертывающих устройств, напряжение которых быстро падает, уводя электронное пятно к началу строки. Обратный ход заканчивается примерно в тот момент, когда импульс прекращается (d.). Однако предусмотрен короткий защитный промежуток времени (d — е), в течение которого пятно продолжает быть невидимым, пока оно вновь не появится для вычерчивания следующей строки.
Л. — Я с удовольствием отмечаю, что мои рисунки, более красноречивые, чем длинная речь, как сказал Наполеон, помогли тебе в совершенстве понять механизм развертывания строк.
Н. — А в передатчике тоже подают специальные импульсы на передающие трубки, чтобы погасить пятно?
Л. — Конечно. Благодаря этому электронный луч не может нарушить во время обратного хода распределения зарядов на мишени.
СИГНАЛЫ В КОНЦЕ КАДРОВ
Н. — Я полагаю, что для синхронизации кадровой развертки используются импульсы, идентичные импульсам синхронизации строк.
Л. — И да и нет. Принцип сохраняется. Однако по своей длительности кадровые импульсы отличаются от строчных, благодаря чему их удается разделить в приемнике так, чтобы направить каждый вид импульсов на соответствующее развертывающее устройство.
Н. — Так как длительность каждого периода кадровой развертки намного превышает длительность развертки строки, я думаю, что и синхронизирующие импульсы длинное для кадров.
Л. — Безусловно. И здесь тоже нужно, чтобы во время обратного хода пятно было погашено. Но время, необходимое для возвращения пятна снизу вверх, составляет около 10 % общей длительности кадровой развертки. А это значит, что за это время пятно вычертит несколько строк.
Н. — А что делает в это время развертка строк? Ее работа прекращается?
Л. — Зачем? Никакого неудобства нет в том, что во время подъема пятно продолжает свое движение справа налево. Обратный ход подобен движению пьяного, возвращающегося поздно ночью зигзагами…, но ход невидимый, так как сигнал находится в области черного или чернее черного.
Н. — Значит, существует один импульс в конце кадра сравнительно большой длительности?
Л. — Опять-таки и да, и нет, Незнайкин. Ведь во время обратного хода по кадру нельзя предоставлять самой себе развертку строк. И, в самом деле, если на развертку не подавать синхронизирующих сигналов, она будет осуществлять колебания со своим собственным периодом, который, как я уже говорил, немного больше интервала между синхронизирующими импульсами. Вследствие этого произойдет рассогласование, достаточно значительное за время нескольких колебаний, соответствующих длительности кадрового сигнала. Таким образом, при возобновлении развертки следующего кадра синхронизация строк не сможет быть восстановлена достаточно быстро.
Н. — Какая неприятность! И как же этому помочь?
Л. — А ты не догадываешься?
Н. — Мне думается, что при передаче кадровых импульсов сохраняют также импульсы строк.
Л. — Поистине, устами младенцев глаголет истина. Именно этот принцип принят для сигналов синхронизации различных систем, которые в остальном отличаются друг от друга рядом деталей. В то время как импульсы строк почти одинаковы во всех системах, в кадровых импульсах наблюдается большое разнообразие. Тебе нет необходимости подробно их изучать.
Достаточно знать, что разряд развертки кадров вызывается импульсом значительно большей длительности, чем длительность строчных синхронизирующих импульсов. Я тебе покажу (рис. 71) форму полного видеосигнала в области кадрового синхроимпульса для двух следующих друг за другом полей (полурастров), принятую для 625 строк разложения.
Рис. 71. Форма полного видеосигнала в области кадрового гасящего импульса для двух смежных полей, принятая для стандарта четкости 625 строк. Благодаря наличию уравнивающих импульсов расстояние между кадровым синхроимпульсом и непосредственно предшествующим и последующим строчными синхроимпульсами одинаково для полей четных и нечетных строк. Поэтому форма кадровых импульсов после интегрирования также одинакова, что необходимо для получения точной чересстрочности разверток.
а — поле четных строк; б — поле нечетных строк.
ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА
Н. — Каким невероятно сложным является телевизионный сигнал! Это мне несколько напоминает головоломки, в которые мои родители заставляли меня играть, когда я был ребенком, и которые вопреки их надеждам меня никогда не забавляли. В коробочке лежала масса кусочков картинок, которые нужно было правильно собрать, чтобы воспроизвести картину в целом.
Л. — Сигнал телевизионного передатчика сложнее, чем головоломки твоего детства. Он содержит не только элементы изображения, но и «способ употребления» в виде синхронизирующих сигналов, т. е. способ их воссоединения.
Н. — И все это упаковано в коробку, которой является высокая частота. Во время нашей первой беседы ты показал, что видеосигнал занимает очень широкую полосу частот и поэтому для его переноса требуется несущая очень высокой частоты. Ты мог бы привести некоторые цифровые данные?
Л. — При стандарте четкости 625 строк максимальная частота видеосигнала составляет около 6 000 000 гц. Для французского стандарта 819 строк она превышает 10 000 000, а для английского 405 строк — около 2 500 000 гц.
Н. — Ты меня доведешь до головокружения. Подумать только, ведь сигнал создает вокруг несущей частоты две симметричные боковые полосы модуляции! Это же может привести к ужасной тесноте в эфире.
Л. — Действительно, телевидение занимает несравненно более широкую полосу частот, чем радиовещание. Однако этому удается помочь путем передачи на одной боковой полосе.
Н. — Что же, одну из двух полос полностью подавляют?
Л. — Нет, это вызвало бы значительные искажения передаваемого изображения. Срезают лишь значительную часть одной полосы (рис. 72).
Рис. 72. Частотная характеристика телевизионного передатчика.
Н. — А каковы используемые несущие частоты?
Л. — Для них отведено несколько диапазонов, зафиксированных международными соглашениями, от 40 до 230 Мгц, или от 7,5 до 1,3 м. В последнее время, чтобы разместить большое количество новых телевизионных передатчиков, пришлось дополнительно отвести диапазон от 470 до 910 Мгц, что соответствует волнам от 33 до 64 см.
И СЛОВО БЫЛО ДАНО
Н. — Но наши изображения немые. Нет ли способа добавить к головоломкам изображений маленькую полосу частот звуковой модуляции, чтобы оживить картину?
Л. — Конечно, существуют способы передачи звука на той же несущей частоте, что и изображение. Но все же для этого предпочитают использовать особый передатчик, предназначенный для передачи звуковою сопровождения.
Н. — Мне думается, что его частота совершенно отлична от частоты передатчика изображений.
Л. — Напротив, выбирают частоту, возможно более близкую к частоте передатчика изображений, однако так, чтобы боковые модуляционные полосы не накладывались одна на другую. Между наиболее близкими частотами боковых полос сохраняют интервал, не превышающий миллиона герц. Интервал между несущими частотами звука и изображения составляет в СССР 6,5 Мгц, в Европе — 5,5 Мгц, в США — 4,5 Мгц, в Англии — 3,5 Мгц и, наконец, во Франции — 11,15 Мгц.
Н. — Зачем же такая скученность?
Л. — Благодаря этому, как ты скоро увидишь, можно использовать общую антенну и усилить сигналы звука и изображения в общих каскадах приемника, прежде чем их разделить.
Н. — А какова полоса передатчика звука? Установлены ли здесь те же драконовы законы, что и для обычного радиовещания, где 4 500 гц являются границей допускаемых частот?
Л. — К великому счастью, об этом нет и речи. При столь высоких несущих частотах какие-то несколько тысяч герц особое роли но играют. Поэтому используют всю полосу слышимых частот, т. е. до 15 000 гц. При этом в основном, кроме Франции и Англии, звук передается методом частотной модуляции.
Н. — Значит, справедливо говорят о высоком качестве звука в телевидении?
Л. — Совершенно справедливо, при условии, что канал звука в приемнике тщательно выполнен.
Н. — Если я правильно понял, именно звук является главным украшением телевидения…