ОБЗОР РАЗВИТИЯ МИРОВОГО ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
В соответствии с международным распределением радиочастот для передачи телевизионных программ системам вещательного телевидения во всех странах мира выделены диапазоны VHF (Very High Frequency) и UHF (Ultra High Frequency), которые иногда называют ОВЧ (очень высокие частоты) и УВЧ (ультра высокие частоты). Наиболее часто используемые частотные диапазоны — это МВ (метровые волны) и ДМВ (дециметровые волны). Границы указанных диапазонов приведены в табл. 1.1.
На конференции Международного Союза Электросвязи (г. Атлантик Сити, 1947 г.) системам вещательного телевидения были конкретизированы значения диапазонов частот по зонам, что представлено в табл. 1.2.
В зависимости от ширины полосы частот радиоканалов (5...8 и 14 МГц) особенно в І и ІІІ диапазонах МВ может размещаться разное число ВЧ радиоканалов. При этом между радиоканалами, главным образом, в І диапазоне, возможны пропуски частот. По мере развития вещательного телевидения в ІІІ МВ, а также IV и V ДМВ диапазонах эти пропуски устраняются.
Используется главным образом для УКВ ЧМ стереозвукового вещания.
На начальном этапе развития вещательного телевидения случались отклонения от указанных в табл. 1.2 норм и использовались следующие диапазоны:
81...88 МГц — в Италии (радиоканал С);
174...223 МГц — в Бельгии, Германии и Швейцарии (III МВ);
161...216 МГц — во Франции (ІІІ МВ);
585...610 МГц — во Франции и Италии (ДМВ).
Европейская конференция по радиопередаче (Стокгольм, 1961 г.) установила диапазоны частот для вещательного телевидения стран Зап. Европы, которые указаны в табл. 1.3
При дальнейшем развитии вещательного телевидения значение диапазона ІІІ было уточнено и осталось неизменным до настоящего времени с полосой частот 174...230 МГц.
Началом развития телевидения считаются 1875 — 1877 гг., когда были определены основные принципы передачи и воспроизведения сигналов изображения, движущихся объектов: разложение изображения на отдельные элементы и поочередно-последовательная их передача и воспроизведение. Это остается неизменным и для современных систем телевидения.
В 1900 г. на Международном конгрессе электротехников в Париже в докладе «Электрическое телевидение» преподаватель Артиллерийской академии штабс-капитан русской армии К.Д. Перский впервые использовал термин «телевидение», который в дальнейшем охватил широкий объем технических решений. Тракт передачи сигналов изображения за последние 100 лет не изменился: преобразователь оптических изображений в электрические сигналы, каналы передачи сигналов изображения и звукового сопровождения, устройства их приема и воспроизведения изображения и звука на телевизионных приемниках у потребителей. Постоянно совершенствовались технические решения параметров сигналов и звеньев трактов на основе новейших достижений радиоэлектронных компонентов и новых разработок приемопередающей радиоаппаратуры.
К первым разработкам относится идея преподавателя Санкт-Петербургского технологического института Б.Л. Розинга об использовании катодной трубки для преобразования электрических сигналов в видимое изображение. В 1907 г. он запатентовал эту идею в России и за рубежом, а в 1911 г. впервые в мире показал на стеклянном экране электронно-лучевой трубки телевизионное изображение.
Основным параметром, определяющим качество изображения, является число элементов, на которое оно разбивается. В дальнейшем каждый элемент изображения стали называть пикселом. Элементы изображения передаются последовательно, образуя строки разложения изображения, а из определенного числа этих строк формируется изображение. На первых этапах разработки вещательного телевидения все технические решения в ряде стран базировались на оптико-механических способах малострочного разложения и его воспроизведения на стандарте 30 строк при 12,5 кадров в секунду. Первые опытные передачи относятся к 1925-1926 гг. (Великобритания, США, Россия), а начало регулярного вещания — к 1928 — 1931 гг. (США, Россия, Великобритания, Германия).
В Великобритании Джон Бэрд впервые в январе 1926 г. продемонстрировал работу системы вещательного телевидения с механической разверткой изображения.
В России в апреле 1931 г. состоялась первая опытная передача в эфир сигналов вещательного телевидения. Комплект используемой аппаратуры был разработан в электротехническом институте связи под руководством П.В. Шмакова и В.И. Архангельского.
Основными недостатками малострочных оптико-механических систем являются низкая светочувствительность, так как уровень сигнала определяется яркостью элемента изображения в момент передачи, а также малое время его считывания. При этом узкая полоса частот сигнала позволяет использовать для их передачи радиопередатчики диапазонов радиовещания длинных, средних или коротких волн.
На смену малострочных системам пришли системы с более многострочной разверткой изображения. В них свет воздействует на фотоэлемент непрерывно, обеспечивая накопление заряда, который считывается один раз в течение кадра. Реализован такой способ был в 1931 г. с помощью первой в мире передающей телевизионной трубки иконоскоп, авторами разработки которой считаются российский (советский) ученый С.И. Катаев и американский (выходец из России) В.К. Зворыкин.
В 1931 г. была продемонстрирована телевизионная система с электронной разверткой учеными М. фон Арденне (Германия) и Ф. Франсуорт (США).
Регулярные передачи вещательного телевидения начинаются в 1936 г. в США (стандарт разложения 343 строки (автор В.К. Зворыкин) и в Великобритании (Англии) (405 строк, автор — также выходец из России И. Шоэнберг), в 1938 г. в России (240 и 343 строки), во Франции (455 и 441 строка), в Германии (441 строка) и Италии (441 строка).
В Европе дальнейшие работы по совершенствованию систем вещательного телевидения с электронной разверткой были приостановлены из-за второй мировой войны. В США они продолжались, а в 1943 г. был внедрен новый стандарт разложения изображения на 525 строк, который успешно используется и в настоящее время во многих странах Южной и Северной Америк и в Японии.
Днем рождения регулярного вещательного телевидения в России считается 1 октября 1931 г., когда передача сигналов с механической разверткой изображения велась с технического центра на Никольской улице в Москве. В марте 1937 г. с Московского телецентра на Шаболовке была осуществлена первая в России опытная передача системы вещательного телевидения в эфир с электронной разверткой изображения. В июне 1937 г. с опытного Ленинградского телецентра (ОЛТЦ) передалась в эфир программа с помощью отечественной экспериментальной аппаратуры с прогрессивной разверткой на 240 строк, а в марте 1939 г. начались регулярные передачи телевизионных программ из Московского телецентра на Шаболовке с разложением изображения на 343 строки, при этом в качестве передающей антенны использовалась Шуховская башня.
7 мая 1945 г. состоялась первая после окончания войны пробная передача с Московского телецентра на Шаболовке. Работают телецентры в ряде городов России, а также в других странах Европы. Единый стандарт, как по параметрам разложения, так и по радиочастотным характеристикам, еще не был разработан, поэтому в ряде ведущих стран были продолжены работы по его оптимальному выбору. Ведущие ученые России продолжили начатые еще во время войны работы по разработке нового оптимального стандарта разложения изображения, и когда они были завершены, Московский телецентр 6 июня 1949 г. первым в мире перешел на телевизионный вещательный стандарт с чересстрочной разверткой на 625 строк при 50 полях (25 кадров) в секунду. Этот стандарт, названный позднее европейским, был принят в большинстве стран мира.
К этому времени во Франции начались передачи по стандарту 819 строк, а в других странах уже существовало три стандарта (405, 625 и 819 строк), что было неудобно, так как сказывалось на приеме программ из-за взаимных помех и искажений. В рамках Международного Союза Электросвязи (МСЭ) и были сделаны шаги по выбору единого стандарта 625 строк. В Великобритании и Франции, а также их колониях долго дублировались передачи со стандартами разложения 405 и 819 строк в связи с тем, что у населения оставались старые телевизоры.
Стандарт разложения изображения 625 строк еще не стал всемирным, хотя его стали использовать Аргентина, Боливия, Парагвай и Уругвай.
Развитие вещательного телевидения прошло в своем развитии определенный путь совершенствования от отдельных маломощных передач телевизионных программ в нескольких городах каждой из стран до мощных многогранных информационных программ с большим числом передающих устройств в широком диапазоне частот с зоной охвата сигналами вещательного телевидения практически всей территории основных континентов земного шара. Первоначально это были передачи черно-белого изображения в узком ! диапазоне МВ в странах Зап. Европы (41...83 МГц), Восточной Европы (48,5...66, 76...100 МГц), Сев. Америки (54...88 МГц). При этом существовала разница в значениях параметров разложения изображения и различие в радиочастотных характеристиках (ширина полосы частот, остатки подавленной боковой полосы, ширина полосы частот радиоканала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения, способы их модуляции и т.д.). Это особенно сказалось в странах Европы, где раньше началось внедрение вещательного телевидения и использовались индивидуальные стандарты. Для уменьшения взаимных помех в диапазоне ДМВ были приняты одна ширина полосы частот радиоканала (8 МГц) и один набор значений несущих частот канала изображения для основных стандартов стран Европы.
Развитие вещательного телевидения цветного изображения шло параллельно с развитием мирового вещательного телевидения черно-белого изображения. Предлагались разнообразные технические решения разделения светового потока на три цветовых составляющих, дальнейшее формирование трех сигналов с передачей их по каналу изображения до потребителя и воспроизведение в телевизионном приемнике для получения цветного изображения.
Вначале были созданы оптико-механические системы цветного телевидения. В 1900 г. русский инженер А.А. Полумордвинов разработал первый проект механической системы цветного телевидения с последовательной передачей цветов, используя вращающиеся диски из цветофильтров. В 1908 г. русским инженером А.А. Адамяном был предложен проект двухцветной телевизионной механической системы с одновременной передачей цветовых сигналов.
В Великобритании Джон Бэрд в 1928 г. продемонстрировал действующую систему цветного телевидения с оптикомеханической разверткой изображения с использованием изобретения А.А. Полумордвинова.
В течение длительного времени в разных странах велись многочисленные испытания по выбору оптимальных систем телевидения, проводились пробные передачи. В ноябре 1952 г. в Ленинграде (Санкт-Петербург) состоялась первая опытная цветная передача по системе с последовательной передачей цветов, а 6 ноября 1954 г. в Москве начала работу опытная станция цветного телевидения, оснащенная отечественным оборудованием по системе с последовательной передачей цветов. Для этого была выпущена партия телевизоров «Радуга» на кинескопе с размером экрана по диагонали 18 см, перед которым стоял вращающийся диск со светофильтрами.
В 1953 г. в США была разработана и внедрена первая в мире система цветного телевидения NTSC — трехкомпонентная электронная, совместимая с вещательным телевидением черно-белого изображения со стандартом разложения изображения на 525 строк, система, действующая и по настоящее время. Эта система обладала рядом недостатков при передаче сигналов на большие расстояния, основным из которых является чувствительность к характерным искажениям тракта передачи. Это затрудняло ее использование в действующих сетях вещательного телевидения черно-белого изображения без реконструкции оборудования, что заставило специалистов ряда стран Европы искать другие формы передачи сигналов телевидения.
Стояла задача выбора единого стандарта на систему цветного телевидения для всех европейских стран. Выбор системы потребовал затратить много времени на исследования и проведение опытных передач. В январе 1960 г. в Москве начались опытные передачи системы цветного телевидения ОСКМ (одновременная система с квадратурной модуляцией), которая явилась аналогом системы цветного изображения NTSC, что позволяло оценить недостатки выбранной в США системы цветного изображения. Несмотря на усилия, выбрать единую систему не удалось: в Европе стали действовать две системы вещательного телевидения цветного изображения — ВЕСАМ (последовательная передача цветов с запоминанием), разработчиками которой были специалисты Франции и СССР, и РАL (разновидность системы NTSC с переменной фазой в каждой строке), разработчиком которой стали специалисты Германии. Эти системы совместимы с вещательным телевидением черно-белого изображения (стандарт разложения изображения на 625 строк) и их сигналы малочувствительны к искажениям действующих трактов передачи. Начиная с 1967 г. в Европе начинается быстрое внедрение цветного телевидения.
Центральное телевидение в СССР с октября 1967 г. начало регулярные цветные передачи по системе SECAM из студии телецентра на Шаболовке, а уже через 10 лет все программы Центрального телевидения стали передаваться только в цветном изображении.
Одновременно с расширением сети вещательного телевидения цветного изображения во многих регионах земного шара начинает широко использоваться частотный диапазон ДМВ 470...890 (960) МГц. Сложность архитектурных ландшафтов крупных городов привела к появлению «мертвых зон», где качественный прием практически становился невозможным. Этого удается избежать благодаря передаче сигналов вещательного телевидения по кабельным сетям в диапазонах частот, не охваченных наземным телевидением. Внедрение кабельных и позднее спутниковых распределительных сетей вещательного телевидения позволило значительно увеличить число телевизионных программ во многих странах мира. Одновременно появилась возможность международного обмена программами, а использование спутников практически обеспечивает это на всей территории земного шара. В 1962 г. проведена первая в мире передача телевизионного сигнала через искусственный спутник земли «ТЕЛЕСТАР» (США).
В ноябре 1965 г. вступила в эксплуатацию кабельная магистраль Москва — Катовице — Прага — Берлин. Она позволила вести регулярный международный обмен телевизионными и радиопрограммами. В феврале 1966 г. автоматическая межпланетная станция «Луна-9» передала на Землю высококачественное панорамное изображение поверхности Луны. С ноября 1967 г. Центральное телевидение начало регулярно передавать программы приемных станций системы «Орбита» через искусственный спутник Земли «Молния-1». В июле 1969 г. переданы первые в мире телевизионные репортажи с Луны на Землю американскими астронавтами Н. Армстронгом и Э. Олдрином. В 1976 г. введена в действие спутниковая система вещательного телевидения «Экран», а в 1989 г. начала работать спутниковая система «Москва Глобальная», обеспечивающая прием телевизионных программ из Москвы на всей территории Земли.
Технические усовершенствования передачи сигналов изображения на большие расстояния приводят к появлению новых тенденций развития телевещания. Стремление специалистов расширить телесный угол наблюдения изображения с целью восприятия объемности (стереоскопичности) изображения привело к появлению нового стандарта разложения изображения, предусматривающего увеличение числа строк разложения примерно вдвое и получившего название телевидение высокой четкости (ТВЧ). При этом в странах, где используется частота сети переменного тока 50 Гц (Европа и др.), уже рекомендовано разложение на 1250 строк и 50 полей, а в странах, где частота 60 Гц (США, Япония и др.) — 1125 строк и 60 полей. Разработка, испытание и частичное использование таких систем, способов передачи и распределения их сигналов ведутся очень интенсивно. В частности, с 1989 г. в Японии начали передавать регулярные экспериментальные передачи аналогового ТВЧ. Об интенсивности работ свидетельствует то, что в последние годы в международных организациях рассматривается целый ряд новых стандартов телевидения: варианты систем повышенного качества, МАС, PAL-plus и другие, оценку и преимущество которых еще длительное время будут проводить многие ведущие специалисты стран мира.
Одним из главнейших направлений сегодня считается стремление многих стран перейти на прием сигналов вещательного телевидения в цифровой форме, стандарт которого позволяет передавать в одном частотном канале сигналы нескольких телевизионных программ (обычно 4 — 6) и другой информации. Это будет способствовать внедрению интерактивных систем, позволяющих потребителю получить ответ на запрос интересующих его программ и другую информацию.
В настоящее время во многих международных организациях ведутся интенсивные исследования по выбору и внедрению нового цифрового стандарта вещательного телевидения, а также способов передачи телевизионных сигналов с использованием новейших достижений. Началом цифрового вещательного телевидения считается 1996 г., когда цифровые сигналы впервые передавались через спутник системы Eutelsat по стандарту DVB (Digital Video Broadcasting). С 1999 г. в России началось цифровое телевизионное вещание телекомпанией «НТВ-Плюс» через спутник «Богум-1»,а с 2000 г. появились первые опытные зоны цифрового наземного вещательного телевидения России (Нижний Новгород, Санкт-Петербург и Москва).
Данные о применении стандартов разложения и систем цветного изображения в регионах Земного шара приводятся в табл. 1.4.
В настоящее время диапазон 47...890 МГц, в котором ведется только наземное аналоговое вещательное телевидение в разных странах мира близок к насыщению. Например, в странах Европы используется более 70 тыс. передатчиков, многие из которых работают в диапазоне МВ. На частоте одного канала может работать до тысячи передатчиков. Аналоговое вещательное телевидение является основным средством доставки потребителю телевизионных программ во всех странах мира. Ведущие специалисты мировых лидеров (США, Европа, Япония) стремятся найти кратчайшие пути увеличения числа телевизионных программ путем замены непрерывных аналоговых сигналов цифровыми сигналами (в виде дискретных выборок), так как это позволяет передавать несколько программ в полосе частот одного аналогового канала за счет их уплотнения.
В 1987 г. Федеральная комиссия по связи США FCC (Federal Communications Commission) образовала консультативный комитет по перспективным телевизионным системам для разработки стандарта более совершенного наземного телевидения. В 1990 г. была предложена первая цифровая система ТВЧ, за которой последовали и другие аналоговые проекты, а уже в 1993 г. был организован Большой Союз ТВЧ (HDTV Grand Alliance) для экспертизы и выбора наилучшей системы. В это время в Европе появился проект цифрового вещательного телевидения DVB (Digital Video Broadcasting) и уже в 1994 г. был утвержден стандарт DVB-S (DVB- Satellite), который регламентирует цифровое спутниковое вещание. Первое практическое применение этого европейского стандарта было осуществлено в Таиланде и Южной Африке. Этот стандарт уже приняли сотни вещательных организаций разных стран, включая страны Европы, США, Японии. В 1996 г. был утвержден стандарт кабельного телевидения DVB-С (DVB-Cable) и eгo стали использовать в странах Скандинавии, во Франции, Германии, Великобритании, Италии, Испании, Аргентине, Бразилии, Австралии, США.
В 1996 г. в Европе был утвержден первым в мире стандарт наземного цифрового вещательного телевидения DVB-Т (DVB- Terrestrial), а в конце этого же года в США FCC был утвержден стандарт на систему вещательного ТВЧ АТSС DTV (Advanced Television System Committee Digital Television). К этому времени Япония предложила стандарт цифрового вещания с предоставлением комплексных услуг ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). В нем большое внимание уделялось обеспечению гибкости передачи информации, включающей разные программы (в том числе ТВЧ), радиопрограммы и т.д. Однако этот стандарт появился позже своих конкурентов и пока не может претендовать в качестве единого мирового. Принятие единого мирового стандарта наземного вещания было бы наилучшим вариантом. Однако этого не происходит в силу многих факторов, кроме того подвергаются экспертизе стандарты DVB-Т и АТSС, каждый из которых имеет определенные преимущества.
В июне 1999 г. Исследовательской Комиссией МСЭ-Р был принят единый мировой стандарт на систему вещательного ТВЧ, который одновременно удовлетворяет требованиям вещательного телевидения, радиовещания, компьютерной и киноиндустрий. При этом предполагается, что вместо двух стандартов разложения изображения (1125 и 1250 строк) сохраняется единый формат 16:9 с 1080 отсчетами по вертикали и 1920 элементами по горизонтали. В этот стандарт включены новые значения частот кадров при прогрессивной развертке, в том числе и 24 Гц, которая используется в кинематографии. Благодаря этому облегчается международный обмен программами в виде кинофильмов, которые редактируются в электронном виде и могут передаваться по цифровым каналам связи.
Говоря о перспективах внедрения в России наземного цифрового вещательного телевидения, уместно возвратиться в 1999 г., когда эта тема обсуждалась в рамках международного конгресса выставки TeleRadioBroadcast Ехр (TRBE) 99. При этом было отмечено, что научно-исследовательская разработка основ внедрения цифрового вещательного телевидения началась еще в начале 1980-х. годов в СССР.
В феврале 1989 г. Постановлением Госкомсвязи РФ была утверждена «Концепция внедрения наземного телеизвуковещания в России». Ее базовым элементом является принципиально новый подход к цифровому вещательному телевидению как наиболее эффективному средству для решения проблем многопрограммного телевидения, передачи больших объемов цифровых данных, массовой интерактивности, а также ряда задач мультимедиа и других служб с последующей интеграцией их в единую информационную систему.
Концепция базируется на необходимости переходного периода от аналогового к цифровому телевидению, во время которого аналоговые и цифровые системы будут работать совместно.
Международная стандартизация тракта передачи в наземном цифровом вещательном телевидении основывается на российском подходе, который на начальном этапе предусматривает сохранение существующих частотных каналов с номинальными полосами частот 6, 7 и 8 МГц.
Считается целесообразным создание опытных участков наземного цифрового вещательного телевидения, а также проведение в них опытных испытаний стандарта DVB-Т. В настоящее вpeмя уже определено, что такие работы будут проводиться в Нижнем Новгороде, Санкт-Петербурге и Москве. Также планируется провести комплексные испытания цифровых систем наземного, спутникового, кабельного и сотового вещательного телевидения и систем других служб.
ВЕЩАТЕЛЬНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ ЧЕРНО-БЕЛОГО
ИЗОБРАЖЕНИЯ
Вещательное телевидение передает сигналы изображения на базе трех основных положений: преобразование энергии световых волн в электрический сигнал, разложение передаваемого изображения на элементы, воспроизведение на экране телевизора переданного на требуемое расстояние полного телевизионного сигнала (ПТС).
Изображение любого сюжета или объекта можно представить совокупностью отдельных точек, положение которых в пространстве характеризуется координатами Х, Y, Z, а также яркостью и цветом. Передать параметры этих точек на приемную сторону можно. Однако технические возможности пока не позволяют реализовать объемное изображение, поэтому ограничиваются передачей координат плоскости (Х, Y) и сигнала яркости в черно-белом изображении, а в цветном еще добавляют и цветовые сигналы. Для этого используется метод последовательной передачи элементов изображения. Впечатление полного изображения на приемнике получается вследствие инерционности зрения, которое заключается в том, что человек не видит мельканий яркости, если они происходят с определенной частотой, и, в первую очередь, необходимостью обеспечить незаметность разрывов в движении объектов. Практика показывает, что эта частота должна быть не менее 48...50 Гц. В кино, где на экран проецируется 24 кадр/с, частота мельканий равна 48 Гц при разделении длительности (времени проецирования) каждого кадра на две равные части.
В вещательном телевидении частота мельканий изображения 50...60 Гц. Применяется чересстрочная развертка, которая имеет коэффициент кратности, равный двум: развертывающий электронный луч проходит сначала все нечетные, а затем — четные строки, т.е. каждый кадр, передается двумя полукадрами (полями), содержащими половину общего числа строк. Число строк разложения выбирается нечетным (405, 525, 625, 819), чтобы упростить форму пилообразного тока для отклонения луча по вертикали. Время прохождения одной строки называется временем прямого хода TДД, а время перехода луча с конца одной строки на начало следующей— вернем обратного хода То.х. Суммарное время прямого и обратного ходов составляет период строчной развертки Тстр. Пройдя последовательно все строки телевизионного растра, луч возвращается в исходное состояние для перехода к следующему кадру изображения. Период повторения кадров Ткадр. равен сумме длительностей прямого и обратного ходов луча по кадрам.
Переменная составляющая ПТС состоит из отдельных импульсов разной длительности и различной формы, обусловленных размером и яркостью деталей изображения. Чем больше размер передаваемой детали, тем больше длительность импульса, ей соответствующая. Низшая частота ПТС приблизительно равна частоте кадров. Качественное изображение крупных деталей требует точной передачи формы импульсов. Амплитуда высшей составляющей спектра телевизионного сигнала определяется минимальным размером передаваемого элемента изображения. Искажение формы импульсов при передаче изображения мелких деталей незначительно влияет на распознаваемость, так как глаз не различает искажения их яркости.
Итак, на передающей стороне в преобразователе свет-сигнал энергия световых волн трансформируется в электрический сигнал. В результате работы развертки на выходе преобразователя получается сигнал, мгновенные значения которого пропорциональны интенсивности освещения соответствующих элементов изображения. В этот сигнал с помощью устройств синхронизации вводят импульсы, которые характеризуют уровень черного, соответствующий уровню сигнала гашения луча в перерывах развертки между строками и полукадрами. Сигнал с уровнем, нормированным относительно уровня черного, называют сигналом яркости. Синхронность разверток на приемной и передающей сторонах достигается введением импульсов синхронизации, обычно совмещенных с сигналом гашения луча.
В вещательном телевидении черно-белого изображения используют следующие синхронизирующие импульсы: сигналы кадровой (вертикальной) синхронизации, уравнивающие синхросигналы и сигналы строчной (горизонтальной) синхронизации. Точность синхронизации по строкам и полям (полукадрам) определяет геометрическое подобие деталей объекта и получаемого изображения. Импульсы синхронизации (синхроимпульсы) передаются в одном канале с сигналом яркости и имеют уровень, превышающий уровень черного. Строчные синхроимпульсы управляют началом обратного хода в конце каждой строки и повторяются с частотой строчной развертки. Для обеспечения точной синхронизации строчной развертки добиваются отсутствия в ней перерывов. Для этого значение фронтов импульсов, разделенных периодом строчной развертки, сохраняются и во время всей длительности кадрового гашения луча. Эти фронты появляются и в уравнивающих импульсах (через один) и во впадинах (через одну) кадровых синхроимпульсов (рис. 2.1).
Передняя площадка строчного гасящего импульса необходима для обеспечения времени, в течение которого прекращаются переходные процессы, связанные с видеосигналом, предшествовавшим гасящему импульсу. Это позволяет исключить искажения формы синхроимпульсов сигналами изображения.
Кадровые синхроимпульсы должны отличаться от строчных, чтобы их можно было выделить из синхросигнала. Обычно их длительность составляет 2,5-3 периода строчной развертки Н, и они располагаются на кадровых гасящих импульсах. Период кадровой развертки соответствует длительности передачи 50 или 60 полей в одну секунду (312,5 Н или 262,5 Н).
Для экономии мощности передатчика кадровые и строчные синхроимпульсы равны по амплитуде, но различаются по длительности и форме. Предыдущий и последующий кадровые синхроимпульсы должны иметь одинаковые форму и длительности. Это требование усложняется тем, что каждое поле растра содержит целое число плюс половину строк. Первое (нечетное) поле начинается с начала строки, а заканчивается на ее половине. Второе (четное) поле начинается с половины строки, а заканчивается полной строкой. Влияние сдвига по времени половины строки на форму кадрового синхроимпульса сводится к минимуму тем, что интервал между соседними строчными и кадровыми синхроимпульсами изменяется. Это приводит к нарушению четкости работы кадровой синхронизации в телевизионном приемнике и к полной или частичной потере чересстрочной развертки. Идентичность импульсов в четном и нечетном полях достигается за счет врезок (промежутков между сегментами кадровых синхроимпульсов) строчных синхроимпульсов, имеющих удвоенную частоту и передающихся до, во время и несколько позже передачи кадровых синхроимпульсов (рис. 2.2).
Число врезок в кадровых синхроимпульсах для четного и нечетного полей оказывается одинаковым, что позволяет обеспечить непрерывность строчной синхронизации и добиться «выравнивания энергии» последовательных кадровых синхроимпульсов.
Для получения достаточной четкости изображения необходимо иметь очень широкую полосу частот — примерно 5...6 МГц. При модуляции таким сигналом несущей передатчика формируется полоса частот вдвое шире, т.е. 10...12 МГц. Формировать сигнал в такой полосе сложно, необходимо воспользоваться методом сужения полосы частот. Для этого передают только часть одной из излучаемых боковых (верхней или нижней) полос сигнала изображения, каждая из которых содержит одинаковую информацию о передаваемом объекте. При этом синхронизирующие и гасящие импульсы передаются во время обратного хода электронного луча кинескопа, когда передаваемые элементы изображения не воспроизводятся на экране. Этот метод передачи называют частичным подавлением одной боковой полосы чacmom. Во всех стандартах вещательного телевидения черно-белого изображения сигнал передается с подавлением части нижней боковой полосы при амплитудной модуляции.
Позитивная полярность модуляции имеет место, когда амплитуда несущей изображения (мощность излучаемого радиосигнала) растет при увеличении яркости передаваемой сцены, а негативная, когда увеличение яркости соответствует уменьшению амплитуды этого сигнала. Формы этих сигналов приводятся на рис. 2.4 и 2.5 соответственно. Выбор типа модуляции определяется следующими факторами: действием импульсных помех на сигналы синхронизации и изображения; значением пиковой мощности передатчика; использованием фиксированных уровней гасящих импульсов и постоянной амплитуды синхроимпульсов для обеспечения работы систем автоматической регулировки усиления (АРУ) в телевизионном приемнике. Каждый тип модуляции имеет определенные преимущества, но все же наибольшее применение находит негативная модуляция из-за увеличения (на 30 %) пиковой мощности передатчика, лучшей нелинейности модуляционной характеристики и стабильной работы АРУ.
Огибающая модуляционного сигнала имеет четыре постоянных (эталонных) уровня: синхроимпульсов, гасящих импульсов, сигналов черного и белого. Эти уровни и допуски на них заданы в процентах пиковой амплитуды огибающей.
В любой стране мира, в которой ведутся передачи телевизионных программ, основные характеристики и параметры системы черно-белого и цветного вещательного телевидения определяются стандартами. Любой стандарт обеспечивает работу всех составляющих частей системы на основе выполнения единых требований,
позволяющих получить максимальные показатели при экономических и технических ограничениях, свойственных данной системе связи. Стандарты вещательного телевидения разрабатывались в ряде ведущих стран (Великобритания, Германия, США, СССР, Франция) в разное время, и в каждой из них работы проводились без учета особенностей других стран, что и привело к возникновению различий, особенно в частотных каналах (ширина радиоканала, размещение несущих, размещение их боковых полос и т.д.). Остановимся на особенностях телевизионных стандартов современного мирового вещательного телевидения.
2.2. Стандарты метрового диапазона
Основные характеристики и параметры вещательного телевидения в ряде стран разрабатывались, выбирались и утверждались в период освоения диапазонов I — III МВ (41...68; 87,5...108 и 163...230 МГц соответственно), когда передачи могли вестись на 11-13 каналах. На первом этапе разработки стандартов было пять:
- западно-европейский, который иногда называют CCIR (International Radio Consultative Committee) или МККР (Международный Консультативный Комитет Радио);
- восточно-европейский — стандарт OIRT (International Organization Radio and Television) или МОРТ (Международная Организация Радиовещания и Телевидения);
- американский — стандарт FCC (Federal Communications Commission) или ФКС (Федеральная Комиссия Связи);
- английский — стандарт ВВС-1 (British Broadcasting Corparation);
- французский — стандарт Е (Standard de Television en France).
Основные параметры указанных стандартов вещательного телевидения приведены в табл. 2.1.
По мере внедрения вещательного телевидения в различных странах мира характеристики все более и более различаются, особенно в частотном спектре сигналов:
- по числу радиоканалов в каждом диапазоне;
- по граничным частотам радиоканала;
- по ширине боковой подавленной полосы и т.д.
В связи с этим в диапазоне МВ вещательного телевидения постепенно были утверждены 9 телевизионных стандартов, обозначенных заглавными буквами английского алфавита: А, В, С, О, Е, F, К1, М, N. В настоящее время английский стандарт А (405 строк разложения изображения) заменен на стандарт I — 625 строя, французские стандарты Е, F (819 строк) заменены на стандарт L— 625 строк, а стандарт С не используется.
Оставшиеся семь стандартов В, D, I, К1, L, М, N обозначены по международной терминологии:
В — западно-европейский стандарт;
D и К1 — восточно-европейские;
1 — английский;
L — французский;
М и N — американские.
Западно-европейский стандарт
Западно-европейский стандарт используется в большинстве стран Западной Европы: Австрия, Албания, Греция, Германия, Дания, Италия, Исландия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Финляндия, Португалия и др.
Основные параметры разложения изображения в стандарте. В приведены в табл. 2.2, а основные характеристики сигналов синхронизации строк и полей, а также гасящих импульсов — в табл. 2.3.
Параметры основных частотных характеристик и модуляции сигналов в стандарте В приведены в табл. 2.4, а номинальные значения частот несущих изображения и звукового сопровождения, а также нижняя и верхняя границы полос частот радиоканалов — в табл. 2.5.
Форма полного телевизионного видеосигнала, содержащегося в огибающей модулированных ВЧ колебаний на выходе передатчика сигнала изображения в стандарте В, приведена на рис. 2.6, а форма частотной характеристики радиоканала вещательного телевидения и номинальная характеристика боковых полос канала изображения телевизионного передатчика в метровом диапазоне для этого стандарта — на рис. 2.7.
Рис. 2.6 (окончание). Форма полного телевизионного видеосигнала, содержащегося в огибающей модулированных ВЧ колебаний на выходе передатчика сигнала изображения. Стандарт В:
а, б — четные и нечетные строки разложения изображения; в — детали между точками 3 и 3 на рис. 2.6, б; г — детали между точками 4 и 4 на рис. 2.6, б; д — детали между точками 5 и 5 на рис. 2.6, в. Размеры строчных импульсов даны в условном масштабе
Восточно-европейские стандарты
Восточно-европейские стандарты используются в ряде стран Восточной Европы (Болгария, Венгрия, Чехия, Словакия, Румыния, Польша), а также в странах СНГ и в некоторых странах Африки.
Основные параметры разложения изображения в стандарте D приведены в табл. 2.10, а основные характеристики сигналов синхронизации строк и полей, а также гасящих импульсов - в табл. 2.11.
Форма полного телевизионного видеосигнала, содержащегося в огибающей модулированных ВЧ колебаний на выходе передатчика сигнала изображения в стандарте О, приведена на рис. 2.8, а форма частотной характеристики вещательного телевидении и номинальная характеристика боковых полос канала изображения телевизионного передатчика в метровом диапазоне для этою стандарта — на рис. 2.9.
Рис. 2.8 (окончание). Форма полного телевизионного видеосигнала, содержащегося в огибающей модулированных ВЧ колебаний на выходе передатчика сигнала изображения. Стандарт D: а и б — четные и нечетные строки разложения изображения; Х и Y — амплитуды гасящих и синхронизирующих импульсов; в — форма строчных синхронизирующего и гасящего импульсов (детали между точками 2 и 2 на рис. 2.8, б); г — форма кадрового гасящего импульса (детали между точками 3 и 3 на рис. 2.8, б); д — форма кадрового синхронизирующего и уравнивающего импульсов (детали между точками 1 и 1 на рис. 2.8, б)
Номинальные значения частот несущих изображения и звукового сопровождения, а также полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандарта D (ΔFK= 8 МГц) (Россия, страны СНГ, Восточной Европы и Африки) представлены в табл. 2.13.
В Китае вещательное телевидение ведется в стандарте D (OIRT) (AFД = 8 МГц), но имеется разница в значении частот радиоканалов, которые указаны в табл. 2.14.
Особо надо отметить стандарт К1, характеризующийся двумя отличиями в параметрах от стандарта D: номинальная ширина нижней боковой полосы частот сигнала изображения — 1,25 МГц вместо 0,75 МГц, а промежуточные частоты сигналов изображения и звукового сопровождения 32,7 МГц вместо 38,0 МГц и 39,2 МГц вместо 31,5 МГц соответственно. По стандарту К1 ведутся телевизионные передачи в ряде африканских колоний Франции. Номинальные значения частот несущих изображения и звукового сопровождения, а также полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандарта К1 представлены в табл. 2.15.
Английский стандарт
Английский стандарт вещательного телевидения по международной терминологии имеет индекс I (ВВС-2). Он используется в Великобритании, Ирландии и ряде стран Южной Африки. Основные параметры разложения изображения стандарта I приведены в табл. 2.16. Более подробно основные характеристики сигналов синхронизации строк и полей, а также гасящих импульсов представлены в табл. 2.17.
Форма частотной характеристики радиоканала вещательного телевидения и номинальная характеристика боковых полос канала изображения телевизионного передатчика стандарта I в метровом диапазоне приведена на рис. 2.10. Параметры основных частотных характеристик и модуляции сигналов приведены в табл. 2.18.
Номинальные значения частот несущих изображения и звукового сопровождения, а также полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандарта I (ΔFK = 8 МГц) представлены в табл. 2.19.
В некоторых странах Южной Африки телевизионные передачи вещательного телевидения ведутся в стандарте I (ΔFK = 8 МГц), но имеется разница в частотах радиоканалов, которые указаны в табл. 2.20.
Телевизионный канал 12 пока не используется.
Французский стандарт
Французский стандарт вещательного телевидения по международной терминологии имеет индекс L, используется только во Франции и имеет некоторые принципиальные отличия от остальных действующих в настоящее время стандартов вещательного телевидения — тип модуляции радиосигналов: для сигнала изображения выбрана амплитудная с позитивной полярностью, а для сигнала звука — амплитудная.
Основные параметры разложения изображения стандарта L приведены в табл. 2.21. Более подробные характеристики сигналов синхронизации строк и полей, а также гасящих импульсов, представлены в табл. 2.22.
Синхронизирующие сигналы задаются в виде диаграммы, которая для стандарта L показана на рис. 2.11. Параметры основных частотных характеристик и модуляции сигналов стандарта L приведены в табл. 2.23.
Форма частотной характеристики вещательного телевидения и номинальная характеристика боевых полос канала изображения телевизионного радиопередатчика для стандарта L в метровом диапазоне приведена на рис. 2.12.
Номинальные значения частот несущих изображения и звукового сопровождения, а также полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандарта L (ΔFK = 8 МГц) представлены в табл. 2.24.
Американские стандарты
Американские стандарты вещательного телевидения по международной терминологии имеют индексы М и N (FCC). Стандарт М используется в целом ряде стран Сев. и Южной Америки, Японии. Одновременно в некоторых странах Южной Америки (Аргентина, Парагвай, Уругвай) в вещательном телевидении применяется стандарт N с другими параметрами разложения изображения— 625 строк вместо 525 строк.
Основные параметры разложения изображения стандартов М и N приведены в табл. 2.25 и 2.26 соответственно. Более подробные характеристики сигналов синхронизации строк и полей, а также гасящих импульсов для стандартов М и N, представлены в табл. 2.27 и 2.28 соответственно.
Форма полного телевизионного видеосигнала, содержащегося в огибающей модулированных ВЧ колебаний на выходе передатчика сигнала изображения в стандарте М приведена на рис. 2.13.
Рис. 2.13 (окончание). Форма полного телевизионного видеосигнала, содержащегося в огибающей модулированных ВЧ колебаний на выходе передатчика сигнала изображения. Стандарт М:
а и б — четные и нечетные строки разложения изображения; в — детали между точками 3 и 3 на рис. 2.13, б; г — детали между точками 4 и 4 на рис. 2.13, б; д - детали между точками 5 и 5 на рис. 2.13, в.
Форма частотной характеристики радиоканала вещательного телевидения и номинальная характеристика боковых полос канала изображения телевизионного передатчика для стандартов М и, N в метровом диапазоне приведены на рис. 2.14. Параметры основных частотных характеристик и модуляции сигналов указаны в табл. 2.29.
Номинальные значения частот несущих изображения и звукового сопровождения, а также полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандартов М и N (ΔFK = 6 МГц) представлены в табл. 2.30.
В Японии вещательное телевидение ведется в стандарте М (FCC) (ΔFK = 6 МГц), но имеется разница в частотах радиоканалов, которые указаны в табл. 2.31.
2.3. Стандарты дециметрового диапазона
Разработка, выбор и утверждение основных характеристик и параметров стандартов вещательного телевидения диапазона ДМВ в ряде стран, главным образом в Европе, проводились после освоения диапазона МВ. При этом 11 — 13 телевизионных программ уже было недостаточно, когда требовалось вести передачи на нескольких десятках радиоканалов. Освоение радиоканалов диапазонов ДМВ потребовало введения единых условий для формирования новых стандартов, чтобы обеспечить минимальные различия в существующих основных характеристиках и параметрах стандартов вещательного телевидения диапазона МВ.
Были использованы два подхода к решению этой проблемы:
- максимально использовать характеристики и параметры стандартов, утвержденных в диапазоне МВ;
- разрабатывать новые стандарты только для диапазона ДМВ.
В диапазоне ДМВ были утверждены 10 телевизионных стандартов: В, D, G, Н, I, К, К1, L, М, N, из которых вновь разработаны только три: G, Н, К. Их можно представить следующим образом:
- В, G, Н — западно-европейские;
- О, К, К1 — восточно-европейские;
- I — английский;
- L — французский;
- М и N — американские.
Однако по мере освоения диапазона ДМВ вырисовывался целый ряд различий в частотном спектре сигналов:
- по номинальной полосе частот ширины диапазонов;
- по числу размещения радиоканалов в каждом диапазоне;
- по значениям граничных частот радиоканала;
- по ширинам боковой подавленной полосы и т.д.
Эти различия частотного спектра диапазона ДМВ отражены в табл. 2.32.
Западно-европейские стандарты
Западно-европейские стандарты вещательного телевидения G и Н по основным параметрам разложения изображения и характеристикам сигналов синхронизации соответствуют пара. метрам стандарта В (см. табл. 2.2 и 2.3 и рис. 2.6). Форма частотных характеристик радиоканала и характеристики боковых полос каналов изображения телевизионного передатчика для этих стандартов приведены соответственно на рис. 2.15 и 2.16. Параметры основных частотных характеристик и модуляции сигналов приведены в табл. 2.33 и 2.34 соответственно.
Восточно-европейские стандарты
Восточно-европейские стандарты вещательного телевидения К и К1 по основным параметрам разложения изображения, характеристикам сигналов синхронизации, а также параметрам частотных характеристик и модуляции сигналов полностью соответствуют стандарту D (см. табл. 2.10 — 2.12 и рис. 2.8). Необходимо отметить только следующую разницу в параметрах стандартов К1 и D: номинальная ширина нижней боковой полосы частот сигнала изображения составляет 1,25 МГц вместо 0,75 МГц, а промежуточные частоты сигналов изображения и звукового сопровождения — 32,7 вместо 38,0 МГц и 39,2 МГц вместо 31,5 МГц.
Английский стандарт
Английский стандарт вещательного телевидения I по основным параметрам разложения изображения, характеристикам сигналов синхронизации, а также частотным характеристикам и модуляции сигналов соответствует полностью стандарту I в диапазонах МВ (см. табл. 2.16 — 2.18 и рис. 2.10).
Этот стандарт является основным в Великобритании.
Французский стандарт
Французский стандарт вещательного телевидения L диапазона ДМВ по основным параметрам разложения и характеристикам сигналов синхронизации соответствует стандарту L в диапазоне МВ (см. табл. 2.21, 2.22 и рис. 2.11).
Форма частотной характеристики радиоканала вещательного телевидения и номинальная характеристика боковых полос канала изображения телевизионного передатчика для стандарта L в дециметровом диапазоне приведены на рис. 2.17. Параметры основных частотных характеристик и модуляции сигналов этого стандарта приведены в табл. 2.35.
Номинальные значения частот несущих изображения, звука и полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандартов G, Н, I, К, К1, L (страны Европы, Африки и Азии) сведены в табл. 2.36. Для этих стандартов установлены единые нормы номинальной полосы частот радиоканалов с шириной полосы 8 МГц для каждого из них, а диапазон частот несущих звука относительно частот изображения отстоит на +5,5 МГц для стандартов G и Н, на +6,0 МГц — для стандарта I и на +6,5 МГц — для стандартов К, К1 и L.
В стандарте D (Китай) диапазон частот 566...606 МГц используется для радиоастрономии, а нумерация радиоканалов отличается от нумерации радиоканалов остальных стандартов.
В стандарте В (Австралия) номинальная ширина полосы частот радиоканала 7 МГц, нумерация радиоканалов начинается с номера 28.
Номинальные значения частот несущих изображения, звука и полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандарта В дециметрового диапазона (Австралия) приведены в табл. 2.37.
Американские стандарты
Американские стандарты М и N диапазона ДМВ по параметрам полностью соответствуют этим же стандартам в диапазон МВ (см. табл. 2.25 — 2.29 и рис. 2.13, 2.14).
Номинальные значения частот несущих изображения, звук и полосы частот радиоканалов вещательного телевидения стандартов М (США, Япония) и N (страны Южной Америки) сведены в табл. 2.38. Для этих стандартов установлены единые нормы номинальной полосы частот радиоканалов (ширина каждого из них 6 МГц), а также частот несущих изображения и звука с разносом друг относительно друга на 4,5 МГц. Различаются они только нумерацией каналов.