Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Когда передающая телевизионная студия сформирует полный телевизионный сигнал, его можно будет передать в эфир. Первые передачи электронного телевидения с высокой четкостью (625 строк разложения изображения) велись на метровых волнах УКВ диапазона. Выделенные каналы сохранились до настоящего времени. Это каналы I–V на частотах 48,5…100 МГц (6,2…3 м).
По мере строительства телецентров во всех крупных городах этих каналов оказалось недостаточно, ведь расположенные рядом телецентры должны работать на разных каналах, иначе на границе областей обслуживания возможны сильные взаимные помехи. Например, если Москва ведет телевизионное вещание в канале I, то ни в Калинине, ни в Рязани, ни в любых других окрестных городах этот канал использовать нельзя, иначе слабый сигнал, приходящий из Москвы, будет создавать помеху. С высокой Останкинской башни телевизионный сигнал может распространятся при благоприятных условиях на расстояние до 300 км.
Выделили еще семь каналов в диапазоне частот 174…230 МГц (1,7… 1,3 м). К настоящему времени и этого оказалось недостаточно, и к 12 каналам на метровых волнах добавили еще два десятка каналов на ДМВ в диапазоне 470…630 МГц (64…47 см). Чем выше частота канала, тем легче передать телевизионный сигнал с широкой полосой. Выше мы определили, что для передачи изображения, содержащего 625 строк и полмиллиона элементов изображения в кадре, нужен спектр частот шириной 6,5 МГц. Но при амплитудной модуляции несущей образуются две боковые полосы и ширина излучаемого спектра может достигнуть 13 МГц. Это слишком много, и специалисты сразу применили очень прогрессивный способ модуляции с подавлением одной боковой полосы. Правда, несущая не подавляется, а для детектирования в приемнике служит не синхронный, а самый обычный диодный детектор, как его часто называют, детектор огибающей. Более того, для уменьшения искажений при детектировании нижняя боковая полоса частот подавляется не полностью, а оставляется ее часть шириной 1,25 МГц, непосредственно примыкающая к несущей.
Посмотрите на изображение спектра излучаемого телевизионного сигнала — там все это показано. На 6,5 МГц выше несущей сигнала изображения расположена несущая звукового передатчика. Звуковое сопровождение передается с частотной модуляцией при девиации ± 50 кГц. Полная ширина радиочастотного спектра телевизионного сигнала получается около 8 МГц.
При передаче столь широкого спектра на метровых волнах мы получаем относительную ширину спектра около 10 %, а на частотах первых телевизионных каналов — даже больше. Это создает определенные трудности в проектировании и передатчиков, и антенн, и приемников: все эти устройства должны быть широкополосными.
Спектр видеосигнала.
Любая неравномерность в передаче телевизионного спектра приводит к ухудшению качества и четкости изображения. На ДМВ относительная ширина полосы частот намного уже и пропустить ее без ослаблений легче. Поэтому и качество телевизионного вещания на ДМВ обычно выше.
Структурная схема телевизионного передатчика несложна. Несущая генерируется высокостабильным задающим генератором. В модуляторе амплитуда несущей изменяется в такт с видеосигналом, поступающим от телекамеры. Ну а перед антенной установлен усилитель мощности, увеличивающий мощность телевизионного сигнала до нескольких десятков, а иногда и сотен киловатт. Впрочем, ввиду ограниченного радиуса действия УКВ передатчиков особенно большие мощности не нужны. Канал звукового сопровождения представляет собой отдельный передатчик меньшей мощности. Лишь в некоторых случаях используют общий усилитель мощности звукового и видеосигналов, который в этом случае должен иметь особенно высокую линейность. Линейность усилителя — это прямо пропорциональная зависимость между амплитудами входного и выходного сигналов. Любая нелинейность приводит к тому, что в спектре выходного сигнала появляются побочные продукты сигналы с частотами, которых во входном спектре не было. Так, например, если во входном спектре присутствовали две частоты — f1 и f2, то в выходном спектре появятся еще и частоты 2f1 — f2 и 2f2 — f1. Это расширит спектр излучения, создаст помехи и ухудшит качество сигнала.
Передатчик изображения.
Еще несколько слов о передатчике звукового сопровождения. Частота его задающего генератора слегка изменяется под действием звукового сигнала. На структурной схеме нарисованы несколько умножителей частоты. Зачем они? Вот зачем. Гораздо удобнее выполнить задающий генератор на сравнительно низкую частоту — в несколько раз ниже излучаемой. Генератор будет работать стабильнее, и не будут влиять наводки мощного сигнала со стороны выходного каскада. Более того, при умножении частоты возрастает и девиация частоты, вызываемая звуковым модулирующим сигналом.
Поясним сказанное примером. Звуковое сопровождение первого телевизионного канала передастся на частоте 56,25 МГц. Сконструируем задающий генератор на частоту 6,25 МГц и промодулируем его звуковым сигналом с девиацией всего ± 5,55 кГц. Затем включим последовательно два утроителя частоты, чтобы получить общий коэффициент умножения в девять раз. В результате на выходной каскад поступит ЧМ сигнал с требуемыми центральной частотой 56,25 МГц и девиацией ± 50 кГц.
Передатчик звука.
Как умножают частоту? Давайте уж не будем подробно разбираться в технических деталях, установим только общий принцип. Если форму синусоидального сигнала сильно исказить, то кроме основной частоты f0 он будет содержать массу гармоник, т. е. колебания с частотами 2f0, 3f0, 4f0 и т. д. Остается выделить нужную гармонику колебательным контуром. А уж исказить форму колебаний очень просто (ломать — не делать!): достаточно выбрать режим обычного усилительного каскада на нелинейной части его характеристики. Если, например, увеличить напряжение смещения, то каскад будет работать «с отсечкой», т. е. усиливать только во время части периода входного сигнала. А остроконечные импульсы тока, протекающего в нагрузке, очень богаты гармониками. Вот вам еще несколько преимуществ частотной модуляции: модулировать сигнал можно в маломощном задающем генераторе, а нелинейные искажения, вносимые последующими каскадами, на качество сигнала не влияют.
Спектральный состав выходных импульсов.
Работа усилительного каскада с «отсечкой» тока.
Особо хотелось рассказать об антеннах передающих телецентров. Зачем строят высокие башни, вроде Останкинской в Москве? Вы уже знаете, что ультракороткие волны распространяются прямолинейно и с высокой башни «дальше видно» — расширяется радиус уверенного приема данного телецентра. Но даже с высокой башни нет никакого смысла излучать сигнал во все стороны. Разумеется, я не имею в виду, что надо излучать на север и не излучать на юг. Совсем нет! В горизонтальной плоскости надо излучать равномерно по всем направлениям. А вот вверх излучать сигнал незачем. И вниз, в землю, тоже. Основную часть мощности сигнала надо посылать вдоль горизонта, где и расположена основная масса, если не сказать, все телезрители со своими приемными антеннами.
Диаграмма направленности передающей телевизионной антенны.
Сформировать узкую диаграмму направленности передающей антенны в направлении горизонта можно. Для этого надо расположить по вертикали одну над другой несколько всенаправленных антенн. Питать антенны следует от общего передатчика через фидеры равной длины. При этом все антенны будут возбуждаться в одной и той же фазе. Посмотрим, как формируется диаграмма направленности.
В направлении горизонта расстояния от каждой из передающих антенн до приемника одинаковы, и все волны приходят в одной и той же фазе. Следовательно, электромагнитные поля складываются в этом направлении. Возьмем другое направление, скажем под углом α вверх. Тогда путь волны от верхней антенны до удаленного наблюдателя будет меньше на Δ = h·sin α, чем от нижней. Здесь h расстояние между антеннами. Если Δ окажется равным половине длины волны, то колебания взаимно скомпенсируются и излучения в этом направлении не будет.
Мы рассмотрели две антенны. Не будем рассматривать N антенн (это сложно, но вполне возможно), а сформулируем вывод: решетка синфазных антенн, расположенных вертикально, излучает преимущественно в горизонтальном направлении, причем ширина главного лепестка диаграммы направленности, выраженная в радианах, примерно равна отношению λ/H, где λ — длина волны, а H — высота решетки из антенн. Таким образом, на высокой мачте можно разместить достаточно большую антенную решетку и сильно сузить луч в направлении горизонта. Не правда ли, нарисованная на этой странице передающая антенна со своей диаграммой направленности очень напоминает маяк, освещающий узким лучом горизонт? В обоих случаях происходит концентрация излучаемой энергии в нужном направлении.
