Лекция 3. Эра транзисторов

Как выяснилось, война оказала большое влияние на разработку транзистора. Для военных нужд усовершенствование полупроводниковых датчиков для радиолокационных станций (РЛС) было столь важно, что правительство США выделило средства на проведение программы по исследованию свойств кремния и германия. К 1943 г. не менее 30 лабораторий в университетах и промышленности занимались выполнением исследовательских программ, целиком направленных на исследования полупроводников, предназначенных для использования в РЛС. Среди этих лабораторий выдающаяся роль принадлежала лаборатория университета Пэрдью [1].

В 1942 г. под руководством Карла Ларк–Горовица физики этой лаборатории начали свои исследования почти с нуля, и менее чем за четыре года группа ученых сумела настолько полно исследовать свойства германия, что электрические свойства можно было предсказать на основании данных о содержании в нем примесей. Было определено отношение подвижности дырок в этом материале к подвижности его электронов, а также были изготовлены диоды, в которых обратные пробивные напряжения достигли 150 В.

Хотя физики университета Пэрдью сделали значительный вклад в будущее полупроводниковой электроники, после конца второй мировой войны они практически прекратили свои исследования в области физики твердого тела. Почти нет сомнений, что работа, проделанная в университете Пердью, являлась ключом для решения задачи создания полупроводникового усилителя.

После конца войны исследования фирмы Bell Laboratories почти исключительно были сконцентрированы на германии, свойства которого к тому времени были изучены гораздо лучше, чем свойства кремния. 9 апреля 1945 г. в исследовательском центре фирмы Bell состоялось совещание по германиевым кристаллам и через три месяца фирма выпустила свое гг.Разрешение на работыгг. по полупроводниковым материалам. Этот документ привел к созданию в центре группы, ведущей исследования в области полупроводников. Она и создала транзистор. Упомянутый документ начинался следующими словами:

Объект: физика твердого тела – фундаментальные исследования в области проводников, полупроводников, диэлектриков, изоляторов, пьезоэлектриков и магнитных материалов.

Утверждение: приборы для связной аппаратуры зависят от этих материалов в связи с большинством своих функциональных свойств. Исследования, проводимые в данном случае, имеют своей целью получение новых знаний, которые могут быть использованы при разработке совершенно новых и усовершенствованных компонентов и элементов аппаратуры, используемой в системах связи…Современное представление о структуре твердых тел, полученное в результате проведенных исследований, указывает на то, что существуют большие возможности получения новых полезных свойств путем нахождения физических и химических методов управления расположением и поведением атомов и электронов, из которых состоят твердые тела».

Всего лишь через несколько месяцев после этого в фирме Bell Laboratories была создана группа по исследованиям в области твердого тела, руководимая Шокли и Стенли О. Морганом. В группе было много подгрупп, в состав одной из которых, занимавшейся полупроводниками, входили Браттейн и Джеральд Пирсон, физик-экпериментатор. В конце 1945 г. к ним присоединился Джон Бардин, физик.

Одним из первых серьезных решений, которые приняла «полупроводниковая» группа, было ограничение работ исследованиями германия и кремния, наиболее простыми полупроводниками. Группа считала, что единственным объяснением продолжающегося непонимания сути явлений в полупроводниках, несмотря на интенсивные исследования, проводившиеся во всем мире, было то, что экспериментальные исследования были разбросаны и проводились на очень большом числе различных сложных материалов. С другой стороны, кремний и германий были простыми элементами. Кроме того, их атомная структура обнаружила ту же сильную ковалентную связь, что и структура алмаза. Поэтому в кристаллах этих элементов должны были почти полностью отсутствовать дефекты.

В начале в основу работы полупроводниковой группы была положена модель полевого триода, выдвинутая Шокли. Основываясь на теории выпрямления Мотта–Шоттки, группа считала, что, прикладывая электрическое поле между поверхностью полупроводника и металлическим электродом, изолированным от поверхности, можно будет управлять плотностью электронов вблизи от поверхности. Тем не менее, все эксперименты кончались неудачно.

Браттейн и Бардин попытались объяснить эти неудачи. Путь, по которому они пошли, исходил из теории полевого эффекта Шоттки, согласно которой число свободных электронов в полупроводнике было одним и тем же, как на его поверхности, так и в объеме. В действительности, как установил Браттейн, теория Шоттки была несправедливой. Он обнаружил это, сравнивая выпрямляющие свойства различных металлических контактов с полупроводником. Тогда Бардин выдвинул гипотезу, которая вылилась впоследствии в один из его наиболее важных вкладов в электронику, а именно в теорию поверхностных состояний.

Бардин предположил, что поверхность полупроводника находится в равновесном состоянии еще до того, как к ней создан какой–либо электрический контакт. Это предположение позволило объяснить, почему выпрямление Шоттки происходило практически независимо от того, какой металл использовался для создания контакта с полупроводником; выпрямление объяснялось электростатической разностью потенциалов между внутренней частью полупроводника и его поверхностью.

Основываясь на этой новой теории, Браттейн и Бардин выполнили серию экспериментов для того, чтобы прийти к лучшему пониманию теории поверхностных состояний.

В качестве возможного решения было предложено весь аппарат (кусок полупроводника с контактами, опорные электроды и провода, используемые для измерения контактных потенциалов и фотоэлектрических напряжений) погрузить в изолирующую жидкость или электролит. Изменяя потенциал между поверхностью полупроводника и опорным электродом, удалось добиться существенных изменений генерированного фотоэлектрического напряжения. Группа пришла к выводу, что ей удалось обнаружить полевой эффект Шокли. Этот последний эксперимент позволил создать фактически работающий усилительный триод. Потенциал, приложенный между каплей воды, окружающей металлический контакт кремния, и самой кремниевой пластиной, позволял регулировать ток, протекавший от полупроводника к контакту. Другие жидкости – электролиты – позволили получить еще лучшие результаты, однако группа знала, что в усилителе, который они хотели создать, нельзя было использовать жидкости. Были сделаны попытки использовать напыленную золотую пленку, окружавшую точечный контакт, но из–за очень малых размеров низковольтная дуга разрушила точечный контакт.

23 декабря 1947 г. группа достигла самого большого успеха. Бардин и Браттейн решили, что необходимо было разместить два контакта чрезвычайно близко друг к другу на поверхности полупроводника. По их расчетам расстояние не должно было превышать 50 мкм. Сделать это было не просто, так как самая тонкая проволока, с которой им приходилось работать, имела диаметр 125 мкм. Помогла изобретательность Браттейна.

Он приклеил золотую фольгу к краю полистиролового треугольника и очень осторожно разрезал ее бритвой вблизи от вершины треугольника. Затем эта вершина была опущена на поверхность полупроводника (в эксперименте был использован германий) и треугольник стали покачивать, пока оба конца фольги не пришли в хороший контакт с полупроводником. Один контакт стал эмиттером, а другой – коллектором, в то время как сама полупроводниковая пластина была базой.

Бардин и Браттейн еще раньше открыли, что небольшой потенциал на эмиттере, положительный по отношению к базе, вызывает инжекцию дырок в поверхность полупроводника и значительно повышает его способность проводить ток. Использование этого эффекта, подобного действию клапана, позволило получить в их усилителе коэффициент усиления по напряжению порядка 100. При этом усилитель работал до верхней границы диапазона звуковых частот.

В тот же день была обсуждена оригинальная электрическая схема, и на следующий день она была использована для изготовления генератора. Единственной неотложной проблемой осталось придумать подходящее название для изобретенного прибора. Бардин и Браттейн хотели подобрать термин, похожий на варистор и термистор, но они не могли найти подходящего слова. Однажды этот вопрос всплыл вновь в присутствии Джон Пирса, и он предложил для прибора название, которое отражало бы его сходство с радиолампами. Важным параметром лампы, как указал Пирс, является ее крутизна (transconductance), или отношение выходного тока к входному напряжению. В полупроводниковом усилителе усиление обеспечивается благодаря его переходному сопротивлению (transresistance). По этой причине Пирс предложил назвать его транзистором (transistor).

Только через семь месяцев фирма Bell Laboratories публично объявила о создании транзистора. Это время потребовалось для полного понимания того, что представляет собой транзисторный эффект, а также написания о нем статьи и подачи заявки на патент. Кроме того, надо было продемонстрировать прибор военным и решить, не следует ли засекретить изобретение транзистора. Но один взгляд военных на транзистор позволил им принять решение о том, что его не надо засекречивать, и 30 июня 1948 г., в Нью–Йорке произошла его первая публичная демонстрация.

Хотя Шокли не принимал фактического участия в открытии точечного транзистора (патент был выдан Бардину и Браттейну), он был руководителем полупроводниковой группы и, безусловно, ему принадлежал основной вклад в ту теорию, которая привела к открытию транзистора, поэтому Нобелевскую премию по физике за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта в 1956 г. присудили всем троим.

Первые транзисторы были не только хрупкими, но и очень дорогими. Кроме того, многие инженеры выросли в век радиоламп и поэтому очень отрицательно относились к только что появившемуся транзистору. Его напряжение питания, мощностные характеристики и даже принцип его работы – усиление по току – заставляли совершенно по-другому подходить к разработке схем. Эту новую концепцию построения схем многие инженеры старой школы отказывались принимать.

Так как цена транзисторов, поступавших в продажу, была высокой, вначале их применение ограничивалось теми областями, где лампы нельзя было использовать. Военные, уже тогда энергично боровшиеся за миниатюризацию, практически не останавливались перед ценой и покупали партии первых транзисторов у таких фирм, как Raytheon, General Electric и Western Electric. Транзисторное оборудование для целей развлечения начало появляться через несколько лет, а вот в слуховых аппаратах транзисторы начали применяться с самого начала. В этой области изготовители непрерывно боролись за уменьшение размеров, веса и требований к источникам питания еще задолго до того, как на сцену вышли транзисторы. На этом рынке можно было продавать чрезмерно дорогие транзисторы, которые в начале 1950-х годов стоили около 15 долларов. Первый транзисторный слуховой аппарат был выпущен фирмой Sonotone в феврале 1953 г. В нем было использовано пять транзисторов, но еще требовалась пара миниатюрных радиоламп для входного и предоконечного каскадов, так как транзисторы еще имели слишком высокие шумы и не обладали достаточно большим усилением.

В то время как продолжалось улучшение точечных транзисторов, ученые фирмы Bell занимались усовершенствованием техники выращивания полупроводниковых кристаллов. Гордон Тил и Дж. Б. Литтл еще в конце 1948 г. успешно выращивали монокристаллы германия, медленно вытягивая слитки из расплава. К 1950 г. Тил переделал свою установку так, что чтобы в нее можно было вводить таблетки с легирующими примесями. Благодаря этому стало возможным изготовить прибор, создание которого Шокли предсказал несколькими годами раньше, – плоскостный транзистор. Меняя примесь в процессе выращивания слитка p-типа, можно было получать тонкий слой германия n-типа. Переходя обратно к примеси, обеспечивающей проводимость p-типа, фирма Bell Laboratories вырастила кристалл, который можно было разрезать на много стерженьков с p-n-p – структурой. После присоединения проволочек к каждой из трех областей изготовление транзистора с выращенными переходами можно было считать законченным. Эти приборы обладали гораздо более низкими шумами и могли выдерживать гораздо более высокую мощность, чем их точечные предшественники.

В сентябре 1952 г. число лицензий по транзисторам, выданным по патентам фирмы Western Electric, достигло 26 в США и 9 за их пределами. Значительный вклад в развитие транзисторных технологий внесли американские военные благодаря крупным контрактам, которые позволили резко увеличить объем выпуска. В октябре 1952 г. контракты с военными на сумму свыше 5 млн долларов были заключены с четырьмя поставщиками полупроводниковых приборов – с фирмами Raytheon, General Electric, Sylvania и RCA. Контракты предусматривали еженедельную поставку более чем 5000 точечных и плоскостных транзисторов, а также германиевых диодов.

К концу 1952 г. частота генерации точечных транзисторов была доведена более чем до 300 МГц. Фирма Raytheon объявила о массовом выпуске плоскостных транзисторов, а в Корнеллском университете началось чтение курса по транзисторам. Полупроводниковые приборы стали появляться в самой различной аппаратуре.

То, что использование транзистора открыло новую эру в области проектирования, стало ясно после того, как фирма RCA изготовила выходной каскад приемника на транзисторах. Он обеспечивал мощность 0,5 Вт, передаваемую на непосредственно связанный с ним громкоговоритель. В схеме использовалось комплементарное включение p-n-p и n-p-n транзисторов друг с другом. Для такого включения не существовало аналогии в мире радиоламп. Потребность в новых приборах в 1952 г. росла столь быстро, что изготовители начали искать пути автоматизации производства. Фирма General Electric разработала метод изготовления плоскостных транзисторов путем приплавления индиевых таблеток к противоположным сторонам тонкой германиевой пластинки. Такой прибор был назван сплавным транзистором.

В течение всех пятидесятых годов большинство изготовителей транзисторов сконцентрировались на усовершенствовании транзисторов, методов их сборки и стандартизации параметров и корпусов. Одно из существенных достижений появилось в 1953 г. в результате исследований фирмы General Electric в ходе экспериментов с германиевыми сплавными тетродами (по существу, с двухбазовыми транзисторами). Исследователи, которые хотели создать прибор, работающий на более высоких частотах, столкнулись с генерацией колебаний, что привело их к созданию однопереходного транзистора. Этот прибор, который вначале был назван двухбазовым диодом, обладал отрицательным сопротивлением, которое можно было использовать в схемах релаксационных генераторов.

Другие достижения в части разработки полупроводниковых приборов имели своей основой фундаментальные исследования в области полупроводников. Одним из них был управляемый кремниевый выпрямитель, разработанный в 1957 г. в лаборатории выпрямителей фирмы General Electric. Прибор, известный в настоящее время под названием «тиристор», имеет четырехслойную (например, p-n-p-n) структуру с высоким импедансом в выключенном состоянии. В нем могут быть вызваны лавинные процессы путем инжекции тока в его внутренний слой через управляющий электрод, обеспечивая его включение.

Другим подобным достижением стала разработка полевого транзистора. В 1958 г. Станислав Тешнер, польский ученый, работавший в фирме CFTH, дочернем предприятии фирмы General Electric Co. во Франции, создал первый полевой транзистор с p–n переходом. Этот транзистор, названный первоначально технетроном, представлял собой германиевый сплавной прибор без изолированного затвора. Он работал на частотах мегагерцового диапазона. Фирма Crystalonics выпустила первый американский коммерческий полевой транзистор с p-n переходом в 1960 г.

В 1958 г. Лео Эсаки, японский ученый, работавший в фирме Sony Corp. в Японии, потряс всех, имевших отношение к полупроводниковой технике, разработкой туннельного диода. Прибор был назван так, потому что его действие основывалось на квантово-механической вероятности туннелирования электронов через энергетический барьер, который они не могли перейти. Такой эффект, по существу, соответствует отрицательному сопротивлению, которое может быть использовано для создания высокочастотных усилителей, генераторов или переключателей. К середине 1959 г. фирма RCA разработала экспериментальные туннельные диоды, которые работали на частотах свыше 1 ГГц. Однако интерес к туннельным диодам быстро угас из-за того, что быстродействие транзисторов и их переключательные характеристики заметно улучшились, а цены начали быстро спадать после того, как появление технологии массового производства сделало возможным увеличить выпуск до громадных объемов. Окончательно их конец возвестило появление интегральных схем, которым предстояло в будущем стать сердцем компьютеров и запоминающих устройств.

Лекция 4. История телевидения

Мысль о видении на расстоянии возникла у человечества еще в глубокой древности. Примером тому могут служить кипящие чаны жрецов и магов, хрустальные шары колдунов и предсказателей, волшебная тарелка с вращающимся яблоком и многие другие сказочно-мифические изобретения. Упоминания о передачи изображения и звука на расстоянии можно встретить в легендах, мифах, преданиях и сказках у самых различных народов мира. Однако свое воплощение в реальность подобные представления получили лишь спустя множество лет, когда уровень научно-технического прогресса достиг необходимо высокого уровня. Появление телевидения неразрывно и напрямую связано с изобретением радио и кинематографа. Александр Степанович Попов поставил на службу человечеству электромагнитные колебания, открытые Г. Герцем и 7 мая 1895 года явил миру свое изобретение радио. Аппараты Попова были способны к передаче знаков телеграфной азбуки Морзе, но в форме более или менее продолжительных звуковых сигналов, а не в форме коротких и длинных черточек (точек и тире) на бумажной ленте. Сущность изобретения совершенно точно отражало его название — «радиотелеграф». Изобретение кинематографа связывают с именами Огюста и Луи Люмьер. Сыновья французского фабриканта, занимавшегося производством фотопринадлежностей, изобрели в 1895 году аппарат, который положил начало развитию синематографа и киноиндустрии, сыграл основополагающую роль в появлении телевидения. Радио и кино породили современное телевидение — способ преобразовывать радиосигналы, неслышимые и невидимые, в звуки и движущиеся изображения [10 – 20] .

Заслуга введения в обиход самого термина «телевидение» принадлежит штабс–капитану русской армии К.Д. Перскому. Он первым употребил этот термин в своем докладе «Современное состояние вопроса об электровидении на расстоянии (телевизирование)», сделанном в Париже на Всемирном конгрессе электротехников в 1900 году. Идеи создания электрической системы для передачи подвижного изображения на расстояние высказывались еще в 70-е годы XIX века. Основывались эти идеи на чисто теоретических посылках (возможности физических экспериментов были в ту пору ничтожны). Но только в середине 20-х годов двадцатого столетия промышленно–техническая база развилась настолько, что возникла возможность практической реализации теоретических принципов телевидения, выдвинутых за полвека до того. Идеям и экспериментам по передаче на расстояние подвижного изображения предшествовали идеи и эксперименты по передаче изображения неподвижного.

Исходя из принципа «факсимильной телеграммы», выдвинутого шотландцем А. Бейном в 1842 году, работавший в России итальянец Д. Козелли изобрел (в 1862 году) «химический телеграф», при помощи которого можно было передавать по проводам изображение — рисунок или текст. Телеграф этот был испытан на линии связи Петербург — Москва, но не получил признания. Чтобы передать изображение по «пантотелеграфу Козелли», рисунок или текст нужно было вытравить на медной пластинке, затем в принимающем пункте аналогичную пластинку подвергнуть столь же длительной химической обработке. Короче говоря, изобретение Козелли оказалось практически бессмысленным, ибо между Москвой и Петербургом уже функционировала железная дорога и поезд мог доставить изображение почти за то же время, которое для этого требовалось при использовании «химического телеграфа».

В 1880 году русский ученый Порфирий Иванович Бахметьев (широко известный как физик и биолог) предложил теоретически вполне возможную телевизионную систему, названную им «телефотографом». Заслуга Бахметьева перед наукой состоит в том, что он хотя и не построил аппарат, но выдвинул первый из основополагающих принципов телевидения — разложение изображения на отдельные элементы для последовательной их передачи на расстояние. (Независимо от Бахметьева идею о разложении изображения на элементы высказал португалец Адриану ди Пайва.) Немец Пауль Нипков предложил осуществить разложение (развертку) изображения с помощью вращающегося диска, имеющего ряд небольших отверстий, расположенных по спирали. Запатентованный в 1884 году диск Нипкова долго не находил практического применения; сам ученый впервые увидел свой прибор в действии лишь в 1923 году на одной из международных выставок радиоаппаратуры, успев к этому времени позабыть о своем изобретении, сделанном еще в студенческие годы.

В 1888—1889 годах профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов, изучив так называемый «внешний фотоэффект» (способность некоторых металлов под воздействием света испускать электроны), создал фотоэлемент. Достижение Столетова открыло принципиальную возможность непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Опираясь на это открытие, преподаватель Петербургского технологического института Борис Львович Розинг в 1907 году предложил (и запатентовал в России и за границей) идею, которая без принципиальных изменений сохранена в действующих и сейчас телевизорах. Идея эта состояла в том, чтобы использовать для преобразования электрических сигналов в светящиеся точки видимого изображения катодную (электроннолучевую) трубку, созданную англичанином В. Круксом и усовершенствованную немецким ученым К. Брауном.

Катодная трубка, соответственно видоизмененная, снабженная множеством сложных и тонких устройств, — основа современных телевизоров: нынешний телеэкран — не что иное, как сплюснутый торец катодной трубки. Б.Л. Розинг сконструировал трубку, в которой поток электронов (катодный луч), вызванный фотоэффектом, «бомбардирует» торец, покрытый изнутри слоем вещества, способного под воздействием катодного луча светиться. Телевизионное изображение (градации света и тени) возникает как результат большего или меньшего по интенсивности свечения определенных участков экрана. Отметим, что в разработке Розинга анализ изображения осуществлялся с помощью оптико-механического (зеркально-барабанного) устройства, а синтез (развертка) изображения осуществлялся без использования оптико-мех­ан­и­ч­е­с­кого устройства, как это стало непременным для электронных телевизионных систем лишь к середине 30-х годов. 9 (22) мая 1911 года Розинг продемонстрировал на стеклянном экране электронно-лучевой трубки телевизионное изображение. Передавалось изображение решетки, помещенной перед объективом передатчика. Это был наиболее благоприятный, с точки зрения передачи, вариант.

Отмечая заслуги ученого в области электрической телескопии (как тогда было принято называть передачу изображения на расстояние), русское техническое общество присудило ему в 1912 году золотую медаль и премию имени почетного члена общества К.Ф. Сименса. Первая мировая война изменила характер работы Розинга — ему пришлось переключиться на выполнение заданий военного ведомства. Лишь после окончания гражданской войны он возобновил свои исследования в Ленинградской экспериментальной электротехнической лаборатории и в 1922 году получил государственный патент на «радиотелескоп», в дополнение к полученной им в 1911 году «Привилегии № 18076» на первый в мире электронный телевизор.

В 1926 году в первом номере журнала «Наука и техника». Розинг опубликовал работу «Электрическая телескопия (видение на расстоянии). Ближайшие задачи и достижения». В этой статье автор во всех подробностях описал все те достижения и функции, которыми располагает телевидение наших дней. Б.Л. Розинга по справедливости следует считать отцом электронного телевидения. Но у телевидения нет единственного изобретателя: многие и многие ученые и инженеры должны были объединить свои усилия, должны были наследовать друг другу, должны были обмениваться идеями и открытиями, для того чтобы телевидение спустя десятилетия после опытов Розинга стало тем, что оно есть.       После 1920 года в стране уделялось много внимания развитию телевидения. Не проходило месяца, чтобы центральные газеты не сообщали о более или менее плодотворных попытках передачи изображения на расстояние. 16 декабря 1925 года, что на V съезде русских физиков Л.С. Термен сделал доклад «Видение на далекое расстояние» и продемонстрировал на экране изображение движущейся живой руки.

Однако система дальновидения Льва Сергеевича Термена сразу же была засекречена в связи с планами использования ее в пограничных войсках. Предварительно ее приемник установили в кабинете наркомвоенмора К.Е. Ворошилова, а передатчик — во дворе наркомата. Позже маршал С.М. Буденный вспоминал, как они с Ворошиловым почти безошибочно узнавали людей, на которых была направлена телекамера. И хотя дальнейшего практического развития эта работа Термена не получила, современники высоко ее оценили.

Существенную роль в развитие телевидения внес и ташкентский изобретатель Борис Павлович Грабовский. Его изобретение «телефот» мог осуществлять передачу низкокачественного изображения на несколько метров, а потом и на большую дистанцию. Однако, к 1929 году, к идее электронного ТВ в Москве охладели — полным ходом шла подготовка к вещанию малострочного, «дальнобойного», доступного «пролетариям всех стран» механического ТВ с диском Нипкова. Радиолюбители СССР принимали из-за рубежа именно такие передачи. Следы работы ташкентского энтузиаста затерялись в бюрократических архивах. К сожалению, изобретения Грабовского и Термена не повлияли сколько-нибудь существенно на ход развития отечественной телевизионной техники. Наступало время коллективных, хорошо организованных и направленных исследований, которые опирались бы на мощную техническую базу.

В 1930 году во Всесоюзном электротехническом институте была создана лаборатория телевидения во главе с Павлом Васильевичем Шмаковым. Она приступила к разработке и постройке передающего устройства и приемника (с диском Нипкова) механического телевидения. Система давала изображение, разложенное на 30 строк (1200 элементов). Электрические сигналы, несущие изображение и звук, передавались раздельно, следовательно, для приема телепередачи требовались два радиоприемника, один из которых имел телевизионную приставку. Так как электрические сигналы преобразовывались в световые через посредство неоновой лампы, испускающей лучи красной части спектра, экран механического телевизора светился розовым светом (современный монохромный телевизор имеет экран голубого свечения, а до 40-х годов свечение экрана было зеленым).

Большую роль в развитии техники телевидения 30-х годов сыграли принимавшие деятельное участие в разработке и освоении промышленностью приемно-передающей аппаратуры инженеры и ученые В.И. Архангельский, Г.В. Брауде, И.С. Джигит, И.Е. Горон, Л.А. Кубецкий, А.Ф. Шорин, А.П. Константинов. 30 апреля 1931 года «Правда» напечатала сообщение: «Завтра впервые в СССР будет произведена опытная передача телевидения (дальновидения) по радио. С коротковолнового передатчика РВЭИ–1 Всесоюзного электротехнического института (Москва) на волне 56,6 метра будет передаваться изображение живого лица и фотографии». В этой первой публичной телепередаче были показаны сотрудники лаборатории (движущиеся изображения!) и фотографические портреты — без звукового сопровождения, «немые». Вскоре началась подготовка к регулярному вещанию. Из здания Всесоюзного электротехнического института передатчик был перевезен на Никольскую улицу, дом 7, в Московский радиотехнический узел. 1 октября 1931 года начались регулярные опытные передачи, которые проводились через радиостанцию МГСПС, работавшую на волне 379 метров (изображение) и 720 метров (звук). Вскоре в Москву стали поступать сообщения о том, что эти передачи принимались радиолюбителями в Томске, Нижнем Новгороде, Одессе, Смоленске, Ленинграде, Киеве, Харькове. Журнал «Говорит Москва» сообщал с гордостью, что в столице работало более тридцати самодельных телевизоров. Промышленность еще не выпускала телевизоры, хотя и готовилась к этому. (Вообще, развитие передающих станций впервые годы регулярного телевидения в СССР обогнало развитие приемной сети.) Собственно, телевидение начала 30-х годов и осуществляло решение только этой задачи — внедрения идеи телевидения.

Телевизионное вещание было еще неспособно выполнять ни одну из функций, которые выполняет сегодняшнее телевидение. Оно еще не обладало ролью ни политико-информационной, ни эстетической, ни познавательной, не имело социально–педагогического значения, но оно внедряло идею телевидения. 15 апреля 1932 года газета «Правда» сообщила, что Ленинградский завод «Коминтерн» приступил к изготовлению первых 20 советских телевизоров. Это было очень важное сообщение — до тех пор в нашей стране имелись только самодельные телевизоры, изготовленные в лабораториях или просто кустарно. В 1933–1936 годах промышленность выпустила более 3 тысяч механических телевизоров марки «Б-2»с размером экрана 3x4 см. Телевизор подключался к радиовещательному приемнику вместо громкоговорителя. Параллельно с развитием механического телевидения интенсивно велись работы и по разработке телевидения электронного.

В 1931 году Семен Исидорович Катаев в осуществление давней идеи Розинга сконструировал передающую трубку, названную им «радиоглазом». Ее отличительная особенность — так называемая мозаика, состоящая из мельчайших светочувствительных ячеек, в каждой из которых под действием света накапливается электрический заряд. Мозаика дает возможность резко увеличить четкость и вследствие этого — размер изображения. Почти одновременно с Катаевым аналогичное устройство («иконоскоп») запатентовал в США Владимир Козьмич Зворыкин, учившийся в Петербурге у Б.Л. Розинга. Достижения ученых, добившихся в лабораторных условиях значительных успехов в разработке электронной системы телевидения, привели к тому, что передачи механического телевидения в Москве в декабре 1933 года были приостановлены. Показалось нерациональным развивать его дальше — век телевидения электронного сочли уже наступившим. Однако, как выяснилось очень скоро, промышленности нужно было еще освоить производство новой аппаратуры. Поэтому 11 февраля 1934 года опытные передачи механического телевидения были возобновлены, а с 15 ноября 1934-го стали регулярными. Окончательно они прекратились в Москве лишь в апреле 1940 года, когда уже работал новый Московский телецентр на Шаболовке (в Киеве механическое телевидение сохранялось до начала войны).

История развития телевидения в датах

1842 г. – шотландец А. Бейн выдвинул принцип «факсимильной телеграммы». Первые опыты по передаче неподвижных изображений на расстояние. 1862 г. – работавший в России итальянец Д. Козелли изобрел «химический телеграф» для передачи по проводам неподвижного изображения – рисунка или текста. Телеграф был испытан на линии связи Петербург–Москва, но не получил признания.

1880 г. – практически одновременно русский ученый П.И. Бахметьев и португальский физик А. де Пайва выдвинули основополагающий принцип телевидения – необходимость разложения изображения на отдельные элементы для последовательной их передачи на расстояние (развертка). 1884 г. – Пауль Нипков (Германия) создал систему механической развертки в телевидении – «диск Нипкова».

1900 г. – русский изобретатель А.А. Полумордвинов разработал цветное телевидение, основанное, как и современная система цветного телевидения, на трехкомпонентной теории цвета.

1900 г. – русский военный инженер К.Д. Перский на Международном электротехническом конгрессе в Париже впервые ввел термин «телевидение». («television»), который получил распространение во всем мире.

1902 г. – русский изобретатель А.А. Полумордвинов запатентовал «Аппарат для передачи изображения и способ этой передачи в связи с одновременной передачей звука».

1907 г. – изобретатель О.А. Адамян из Баку запатентовал аппарат двухцветного ТВ (красно–белое изображение передавалось по проводам на 600 км). Чуть позже им был заявлен трехцветный прибор.

1907 г.– начало эры электронного телевидения – изобретение русским профессором Б. Л. Розингом, способа приема телевизионного изображения с помощью электронно–лучевой трубки (кинескоп).

1911 г. – первая в мире телевизионная передача электронного ТВ. Б.Л. Розинг продемонстрировал четкое изображение решетки, помещенной перед объективом передатчика. После революции он усовершенствовал передающее и приемное устройства.

1925 г. – русский изобретатель Л.С. Термен создает свой вариант телевидения и демонстрирует его широкой публике. В 1926 г. он представил в Кремле телевизор с экраном 1 кв.м, названный «Устройством электрического дальновидения» и это в то время, когда экраны западных моделей были не больше спичечного коробка. Первый телевизор был установлен в приемной Ворошилова, а камера – перед входом в Наркомат обороны.

1928 г. – опыты по созданию механического телевидения в СССР – первая передача телевизионного сигнала через радиостанцию им. Коминтерна была успешно осуществлена из Москвы в Свердловск.

1931 г. – начались регулярные передачи электромеханического телевидения из Москвы в диапазоне средних волн, которые можно принимать почти на всей территории СССР. В столице работало более тридцати самодельных механических телевизоров. Позже сотни радиолюбителей СССР собирали самодельные механические телевизоры, приобретая в магазинах бумажный диск Нипкова.

1931 г. – советский физик С. И. Катаев в осуществление давней идеи своего учителя Б.Л. Розинга сконструировал передающую трубку, названную «радиоглазом». Почти одновременно с Катаевым аналогичное устройство («иконоскоп») запатентовал в США ученик Б.Л. Розинга В.К. Зворыкин. 1933–1936 гг. – в СССР серийно выпущены свыше 3 тысяч механических телевизоров марки «Б-2» с диском Нипкова и размером экрана 3x4 см как приставка к радиовещательному приемнику.

1936 г. – началось вещание по электронной системе в США (автор – В. К. Зворыкин) и Англии (автор – также выходец из России И. Шоэнберг), а в 1938 г – в СССР, во Франции, в Германии и Италии.

1949–1960 гг. – выпуск первого отечественного массового трехканального телевизора КВН-49 с экраном 10,5х14 см. Для просмотра перед ним устанавливалась линза, заполняемая дистиллированной водой.

1952 г. – первая в СССР опытная передача цветного телевидения. 1953 г. в США начала регулярно работать электронная система цветного телевидения NTSC.

1959 г. – рождение космического телевидения: советская автоматическая межпланетная станция «Луна–3» впервые сфотографировала обратную сторону Луны.

1965 г. – в США носителем Delta был запущен спутник связи «Early Birdгг». Этот спутник стал первым коммерческим коммуникационным спутником, размещенным на геостационарной орбите.

1965 г. на орбиту запущен первый советский высокоэллиптический спутник связи «Молния» и практически сразу же была успешно опробована возможность передачи телесигнала из Владивостока в Москву.

1967 г. в Москве появилось великолепное сооружение – Останкинская башня высотой 540 м (проект Н.В. Никитина 1956 г.), обеспечивающая качественное эфирное телевещание. Жители столицы и окрестностей (120 – 150 км) получили возможность смотреть 2 телепрограммы.

1967 г. – начало регулярных цветных телевизионных передач по системе SECAM в СССР и Франции. К этому же времени был приурочен выпуск первой партии цветных телевизоров «Рубин–401».

1970–е годы – начало развития волоконно-оптических систем связи, которое стало возможно благодаря изобретению русскими физиками Н. Басовым и А. Прохоровым полупроводниковых лазеров (Нобелевская премия 1958г.). Использование в качестве несущей волны светового потока, создаваемого полупроводниковым лазером, позволяло проводить на большие расстояния по световодам (оптическим кабелям, изобретенным в США в 1934г.) недоступные ранее широкополосные сигналы.

1976 г. – американский профессор Генри Говард создал первое в мире домашнее спутниковое ТВ. В этот же период появляются первые платные телеканалы без рекламы.

1996 г. – появился первый российский оператор спутникового телевизионного вещания НТВ+.

1996 г. – появились первые промышленные образцы оптических передатчиков телевизионного диапазона.

1997 г. – активное развитие за рубежом волоконно-оптического телевидения, соединившего преимущества цифрового качества сигнала, разнообразия спутникового телевидения и удобства эфирного телевещания.

2004 г. – впервые в России доступ к волоконно-оптическому телевидению «Интернет–ТВ», позволяющему смотреть более 50 программ на каждом телевизоре квартиры, получили сотрудники ОАО «ГАЗПРОМ», для которых была создана система подачи широкополосного сигнала без установки приставок к телевизорам. Кроме того, появилась возможность приводить оптическое волокно непосредственно к квартире (технология FTTH), что до настоящего времени считалось перспективой следующих десятилетий.

Лекция 5. История спутникового телевидения

Использовать искусственные спутники земли (ИСЗ) для передачи телевизионных (ТВ) программ стали после первых запусков спутников связи. Именно с ТВ трансляции из Владивостока в Москву началась эксплуатация первого в мире спутника связи «Молния» и день его вывода на орбиту 23 апреля 1965 г. Техноэкономические решения спутникового вещания были настолько удачны, а его социальное значение так велико, что практическое применение ИСЗ для передачи ТВ программ оказалось в центре внимания. Сразу была поставлена задача обеспечить прием непосредственно на индивидуальные приемники метрового и дециметрового диапазонов, имеющиеся у населения. Для выполнения данного требования было необходимо, чтобы излучаемый с ИСЗ сигнал соответствовал параметрам наземной передающей сети – диапазону частот, методу модуляции, уровням сигнала и взаимных помех и другим параметрам, для чего нужно было бы решить ряд технических и правовых проблем [14] .

Для обеспечения ТВ вещанием районов Сибири и Дальнего Востока в СССР был разработан ИСЗ диапазона 700 МГц с параметрами, близкими к НТВ. Передатчик на ИСЗ должен был иметь мощность 1,5 кВт с амплитудной модуляцией. Частотная совместимость с наземной сетью достигалась удалением зоны вещания от сопредельных стран. Обеспечению совместимости способствовала также неразвитость земной передающей сети дециметрового диапазона СССР. Позже параметры ИСЗ были изменены – мощность передатчика снизили до 200 Вт и стали использовать частотную модуляцию. При этом обеспечивалась простота конструкции земных приемных станций, устанавливаемых, в основном, вместе с ретрансляторами малой мощности. Такой спутник, получивший название «Экран», был введен в эксплуатацию в 1976 г.

1980 г. запустили многоствольный ИСЗ «Горизонт», имеющий специальный мощный (40-ваттный) передатчик диапазона 4 ГГц для передачи ТВ сигналов на относительно простые земные приемные станции системы «Москва», устанавливаемые вместе с ретрансляторами различной мощности. На ИСЗ «Горизонт» имеется также один ствол диапазона 11 ГГц (ФСС), применяемый для передачи ТВ программ. Использование систем «Экран» и «Москва» (9 ИСЗ) позволило организовать распределение двух ТВ программ, формируемых в Москве по всей территории СССР с учетом временного сдвига для вещания в удобное для зрителей время.

Приемная сеть «Орбита»

В 1967 г. в Советском Союзе была создана приемная сеть станций «Орбита» первой очереди, содержащая 20 станций для обслуживания ТВ вещанием удаленных районов Крайнего Севера, Дальнего Востока и Средней Азии. Эффективность сети была высокой, и число земных станций быстро росло: к началу 1982 г. оно достигло примерно 100 на территории СССР. В СССР эти станции расположены преимущественно в районах, прилегающих к берегам Северного Ледовитого океана от Мурманска до Анадыря и к южным границам Союза от Каспийского моря до Сахалина. В настоящее время станции работают с ИСЗ «Молния-1, Молния-2, Молния-3», «Радуга», «Горизонт».

Сеть «Орбита» является косвенной распределительной сетью, т. е. наземные станции принимают через ИСЗ Центральную программу из Москвы и по соединительным линиям передают на ближайший ТЦ, который доводит ее до местных зрителей в своем метровом диапазоне. Все станции «Орбита» однотипные: круглое железобетонное здание, на крыше которого на специальном опорно-поворотном устройстве устанавливается следящая параболическая антенна диаметром 12 м и фокусным расстоянием 3 м. Перемещение антенны обеспечивается в двух плоскостях: по азимуту на ±270° и по углу места от 0 до 90°. Жесткость конструкции антенны допускает работу при скорости ветра до 25 м/с в диапазоне температур ±50°С. Коэффициент использования площади антенны до 0,65... 0,7 и шумовая температура не выше 40 К при угле места 5°. В центральном зале станции располагается вся приемная аппаратура с устройствами оперативного контроля, аппаратура наведения антенны и соединительной линии с местным ТЦ. В помещениях вокруг центрального зала размещены: система вентиляции и кондиционирования, аппаратура электроприводов антенны, силовые шкафы и лаборатория с измерительной аппаратурой. В качестве малошумящего усилителя применяется двухкаскадный параметрический усилитель с охлаждением жидким азотом.

Разработана также малая ретрансляционная станция «Марс». Это приемно-передающая перевозимая станция, позволяющая вести ТВ передачу практически из любого пункта СССР через ИСЗ или принимать передачу центрального телевидения через ИСЗ в удаленном пункте. Это «космическая передвижка» обеспечивает высокое качество ретрансляции сигналов ТВ, а также организацию двух каналов звукового сопровождения и каналов служебной связи. Вся аппаратура размещается в трех контейнерах. Развертывание станции на работу в пункте событий занимает только несколько дней. В состав станции входят параболическая полноповоротная антенна с диаметром зеркала 7 м, с механизмами вращения и антенно-волноводным трактом; широкополосное приемное устройство с малошумящими усилителями – первые два каскада охлаждаются жидким азотом; передающее устройство, работающее в сантиметровом диапазоне, в различное вспомогательное оборудование. Помимо станции «Марс» ряд наземных станций «Орбита» оборудован передатчиками для обратной ТВ связи с центром через ИСЗ.

Космическая станция при движении по эллиптической орбите вокруг Земли в некоторые периоды времени будет находиться вне видимости земного пункта приема. Это ведет к перерывам космической связи. Для ликвидации этого нежелательного явления требуются несколько спутников (система спутников) или передвижные ретрансляторы в виде морских кораблей, которые могут курсировать в любой акватории Мирового океана. В Советском Союзе для этого создан специальный флот Академии наук СССР в составе кораблей – флагман – «Космонавт Юрий Гагарин». и исследовательских кораблей – «Академик Сергей Королев», «Космонавт Владимир Комаров». Оборудование этих кораблей состоит из антенн, приемных и передающих радиоустройств дальней связи, систем траекторных измерений, систем управления и сложного комплекса ЭВМ. В этом случае связь с Землей будет осуществляться по схеме космический объект-морской корабль-ИСЗ «Молния» – центральный приемный пункт.

Приемные станции «Орбита» были построены практически во всех крупных городах отдаленных районов Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока. В то же время строительство таких станций в малых населенных пунктах с населением в несколько тысяч человек практически невыгодно. Поэтому дальнейшее развитие системы «Орбита» было прекращено.

Приемная сеть «Москва»

В 1979 г. была введена в эксплуатацию новая распределительная спутниковая система «Москва». Подача ТВ программ на сеть земных приемных станций ведется через ИСЗ «Горизонт», которые планировалось располагать на геостационарных орбитах в точках 53, 90 и 140° в.д.

Повышенная до 40 Вт мощность бортового передатчика в сочетании с узконаправленной бортовой передающей антенной обеспечивает максимально допустимое значение эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ). Особенностью системы «Москва» является то, что для электромагнитной совместимости ее с существующими наземными и спутниковыми средствами было использовано искусственное рассеяние мощности путем дисперсии несущей. Несущая дополнительно отклоняется с частой 2,5 Гц и девиацией ±4 МГц. Это позволило соблюсти установленные МККР нормы на допустимую спектральную мощность потока (–152 дБВт/м² в полосе 4 кГц) при высокой интегральной плотности потока мощности у поверхности Земли -120 дБВт/м². В зону, обслуживаемую одним ИСЗ, входит 2...3 часовых пояса, т. е. ее размер, выбран с учетом принятых принципов организации многозонового ТВ и звукового вещания в СССР.

Приемная антенна земной станции имеет небольшой диаметр зеркала (2,5 м) и массу не более 400 кг; ширина диаграммы направленности ± 1°. В качестве входного устройства стало возможным применить неохлаждаемый параметрический усилитель с температурой шума 100 К. Все остальное радиотехническое оборудование размещается в небольшой стойке. Таким образом, создана распределительная ТВ система с приемом на сравнительно простые станции в диапазоне 4 ГГц, не требующие постоянного квалификационного обслуживания.

Сигнал дисперсии в приемнике эффективно выводится с помощью +устройства узкополосной обратной связи по частоте (ОСЧ). Выбранное значение частоты дисперсии позволяет отделить его от ТВ сигнала и замкнуть цепь обратной связи. При этом девиация частоты за счет сигнала дисперсии в значительной степени уменьшается, и полосу приемника рассчитывают на пропускание ЧМ сигнала, модулированного только полезным сообщением (около 40 МГц). Остаточный сигнал дисперсии удаляется путем применения схем восстановления постоянной составляющей сигнала Общая пиковая девиация частоты в системе «Москва» составляет ±15 МГц (±13 МГц для ТВ сигнала и ±1 МГц для сигналов звукового сопровождения и радиовещания, передаваемых методом ЧМ на поднесущих частотах 7 и 7,5 МГц с девиацией ±150 кГц). На поднесущей частоте 8,2 МГц можно организовать передачу изображения газетных полос.

В комплект приемной станции входит ТВ ретранслятор мощностью 1, 10 или 100 Вт или устройство для работы на кабельную сеть. Использование станции в комплексе с передатчиком мощностью 100 Вт эффективно практически для любого населенного пункта страны. Разработан также перевозимый вариант приемной станции «Москва»; все оборудование перевозимой станции размещается в кузове от грузового автомобиля.

Приемная сеть «Экран»

Перспективой ТВ вещания с помощью ИСЗ является непосредственное ТВ вещание НТВ. Промежуточный этап на пути к НТВ – вещание на коллективные приемные устройства, которые будут, очевидно, совмещаться с ТВ узлами систем кабельного ТВ. Такие устройства относительно более сложные и поэтому не требуют повышенной мощности ретранслятора спутника связи. Первые практические шаги в этом направлении сделаны– на геостационарные орбиты запущены ИСЗ «Экран» (точка стояния 99±1° в.д.), работающие в системе связи с параметрами: f_пер = 620±12 МГц; f_пер = 714±12 МГц (52...54 ТВ каналы); передача сигналов звукового сопровождения на поднесущей 6,5 МГц с девиацией ±50 кГц; стандартные линейные предыскажения сигнала; мощность ретранслятора 200 Вт (мощность солнечных батарей не менее 2 кВт); коэффициент усиления бортовой антенны 34 дБ; напряженность поля на краю зоны обслуживания 29 мкВ/м. В системе «Экран» используются приемные устройства двух типов – упрощенные (II класса) и более сложные (I класса).

Установки I класса комплектуются антеннами «волновой канал», содержащими 32 полотна. В качестве высокочастотного блока используется недорогой малошумящий двухкаскадный усилитель на серийных транзисторах ГТ362Б. Приемная установка обеспечивает модуляцию и разделение сигналов изображения и звукового сопровождения. Выходной ТВ сигнал с высоким качеством подается на мощные ТВ станции, обслуживающие достаточно большие населенные пункты. В комплект установки II класса входят антенна из четырех полотен и малогабаритное приемное устройство, в котором спектр сигнала с принятой частоты 714±12 МГц переносится в спектр одного из каналов метрового диапазона и сигнал ЧМ преобразуется в АМ. Установки предназначены для подачи ТВ сигнала на маломощные ТВ ретрансляторы или в кабельную сеть. Модифицированные установки II класса объединены с передающим устройством мощностью 1 или 10 Вт.

Приемные установки системы «Экран» работают в диапазоне 0,7 ГГц. Они имеют низкую стоимость, поэтому система является весьма эффективным средством организации ТВ вещания в районах Сибири и Крайнего Севера СССР. Зона обслуживания системы охватывает около 40% всей территории страны (9 млн кв. км). В настоящее время в стране установлено более 1500 установок этой системы, и сеть станций продолжает расширяться. Однако в других районах страны использовать систему «Экран» невозможно из-за больших помех наземным средствам на территориях сопредельных государств.

Лекция 6 «Стандарты телевизионного вещания»

Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих его основных характеристик, таких как способ разложения изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения и метод модуляции последней, параметры предыскажаюшей цепи звукового сигнала и др. Для цветного телевидения добавляется метод передачи сигналов цветности совместно с сигналом яркости. Для черно–белого телевидения существует 10 стандартов, которые принято обозначать латинскими буквами В, D, G, Н, I, К, К1, L, М, N. По способу передачи сигналов цветности различают три системы цветного телевидения: SЕСАМ, NTSC и РАL. Каждая из трех систем может применяться с любым из 10 стандартов черно-белого ТВ вещания, давая 30 возможных комбинаций. На практике применяются девять разновидностей РАL, шесть – SЕСАМ и один стандарт из группы NТSС [19] .

Системы SЕСАМ, NTSC и РАL были разработаны для наземных ТВ сетей, использующих амплитудную модуляцию (AM) несущей изображения, и не очень пригодны для спутниковых каналов, где основной является частотная модуляция (ЧМ). При прохождении ЧМ сигнала через тракты с неравномерной амплитудной и нелинейной фазовой характеристикой возникают перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, ухудшающие качество изображения. К тому же из-за треугольного спектра демодулнрованного шума при ЧМ сигналы цветности оказываются в области повышенной спектральной плотности мощности шума, что снижает помехоустойчивость приема этих сигналов

В конце 80-х гг. был создан алгоритм цифрового сжатия, позволявший передать высококачественное изображение со скоростью 7...9 Мбит/с, изображение вещательного качества – со скоростью 3,5...5,5 Мбит/с и кинофильм (совокупность неподвижных изображений) со скоростью не более 1,5 Мбит/с. На основе этого алгоритма Международная организация стандартизации приняла два стандарта обработки ТВ изображения: МРЕG1 для телевидения с невысокой разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компакт-диски, компьютерные игры, мультимедиа) и МРЕG2 для вещательного телевидения с чересстрочной разверткой. Дальнейшим развитием МРЕG2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи.

Аналоговый метод передачи с ЧМ

Частотная модуляция требует по сравнению с амплитудной модуляцией, используемой в наземном вещании, существенно меньшей мощности передатчика, что особенно важно для спутниковых систем Преимуществами ЧМ являются также невысокие требования к линейности амплитудной характеристики тракта и возможность работы выходного каскада спутникового передатчика в режиме насыщения, в котором достигается высокий КПД.

При передаче ЧМ девиация частоты несущей выбирается исходя из полосы пропускания ВЧ тракта таким образом, чтобы избежать искажений передаваемого сигнала, связанных с отсечением части его спектра. Упоминавшиеся выше перекрестные помехи проявляются в искажениях типа «дифференциальное усиление» и «дифференциальная фаза». Для уменьшения этих искажений применяется рекомендованная МККР линейная обработка.

Наряду с линейными предыскажениями сигнала изображения в спутниковых системах иногда применяют нелинейную обработку, заключающуюся в ограничении размаха предыскаженного сигнала за счет отсечения коротких выбросов, соответствующих крутым фронтам исходного сигнала. При сигнале SECAM допустимо ограничение на 2...3 дБ, на такое же значение можно увеличить девиацию частоты и отношение сигнал/шум на выходе канала. Искажения сигнала получаются незначительными даже при отсутствии нелинейного восстановителя на приеме. Описанный метод использован в отечественной системе ТВ вещания «Москва».

Еще один вид обработки, нашедший применение только в спутниковых системах вещания, – введение в состав ТВ сигнала, на передающей стороне дополнительного низкочастотного модулирующего сигнала, обеспечивающего более равномерное рассеяние (дисперсию) энергии ТВ сигнала в полосе частот ствола с целью уменьшения помех другим системам связи, в первую очередь радиорелейным линиям. В связи с совместным использованием некоторых диапазонов частот (например, 4 и 11 ГГц) спутниковыми и радиорелейными системами в регламенте радиосвязи установлены предельные нормы спектральной плотности потока мощности спутникового сигнала на единицу полосы (обычно 4 кГц) для разных углов прихода сигнала. При неблагоприятных сюжетах изображение (равномерно освещенное поле) почти вся мощность сигнала может сосредоточиться в узкой полосе частот и привести к многократному превышению указанной нормы. Добавление сигнала пилообразной или треугольной формы частотой от единиц герц до десятков килогерц позволяет добиться эффективного рассеяния независимо от сюжета. Девиация несущей сигналом дисперсии зависит от требуемой степени рассеяния и выбирается равной от 600 кГц (рекомендация МККР для всех спутниковых ТВ систем) до 4 МГц (в системе «Москва»).

Исключение сигнала дисперсии на приеме достигается применением схем фиксации уровня видеосигнала: при девиации более 1 МГц дополнительно используются специальные следящие устройства. Сигнал звукового сопровождения телевидения в традиционных системах с ЧМ передается обычно совместно с сигналом изображения на поднесущей частоте, расположенной выше его спектра. Для достижения необходимой помехозащищенности передача осуществляется методом частотной модуляции поднесущей, причем девиацию частоты поднесущей выбирают, как правило, большей, чем в наземном телевидении – до 100 и даже 150 кГц. Значение поднесущей также выше и составляет 7,0...7,5 МГц при полосе видеосигнала 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при полосе 5 МГц и 5...6 МГц при полосе 4,2 МГц, что позволяет уменьшить переходные помехи из канала изображения в канал звукового сопровождения и облегчить требования к фильтрации сигналов.

При необходимости передачи совместно с сигналом изображения более чем одного звукового сигнала (звуковое вещание, звуковое сопровождение на иностранных языках, стереозвук) используется несколько поднесущпх частот, расположенных выше спектра видеосигнала. Их число ограничено возникновением перекрестных помех и ухудшением качества ТВ изображения из-за уменьшения доли девиации несущей, приходящейся на видеосигнал. Практически с удовлетворительным качеством удается передать два – четыре дополнительных сигнала. Например, в спутниковых ТВ каналах, организованных через европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra наряду с основным каналом звукового сопровождения сформированы еще до четырех высококачественных звуковых каналов, используемых для передачи монофонических или стереофонических программ. Передача ведется методом ЧМ на поднесущих частотах 7,02, 7,20, 7,38, 7,56 МГц звуковой сигнал подвергается адаптивным предыскажениям и компандированию (система Wegener Panda 1).

Компандирование применяется для повышения помехоустойчивости передачи звуковых сигналов. Оно подразумевает сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала в соответствии с изменением огибающей звукового сигнала и восстановление исходного динамического диапазона на приеме. Различают «управляемые» компандеры, в которых информация об исходном динамическом диапазоне передается в отдельном канале управления, и «неуправляемые», в которых эта информация содержится в передаваемом сигнале.

Выигрыш в помехозащищенности благодаря компаундированию достигает в среднем 12…13 дБ при наличии сигнала и 20 дБ в паузе сигнала. Управляемый компандер применялся в отечественных системах «Экран» и «Москва», неуправляемый – в системе «Москва – Глобальная».

Более эффективным энергетически и свободным от перекрестных помех способом передачи нескольких звуковых сигналов является передача на поднесущей в дискретной форме. Сигналы отдельных каналов преобразуются в цифровую форму и объединяются (мультиплексируются) в общий цифровой поток, который модулирует по фазе поднесущую частоту, расположенную выше спектра видеосигнала. Этот способ, например, используется в японской системе НТВ ВS-3. Поднесущая 5,73 МГц модулируется цифровым потоком со скоростью 2,048 Мбит/с, содержащим ИКМ звуковые сигналы, импульсы коррекции ошибок, контрольные импульсы. В системе образуются либо четыре звуковых канала с полосой 15 кГц, либо два канала очень высокого (студийного) качества с полосой 20 кГц.

Давно известен и применяется способ передачи звуковых сигналов в спектре видеосигнала с разделением их во времени – в интервале обратного хода луча или в свободных строках. Рассматриваемый способ применялся в системе «Орбита», в которой с помощью широтно-импульсной модуляции обеспечивалось формирование одного канала с полосой 10 кГц или двух каналов с полосой 6 кГц. Современный уровень дискретной схемотехники позволяет существенно увеличить пропускную способность метода. Эти возможности реализованы в стандарте МАС.

ТВ сигнал с временным разделением компонентов

В системах типа МАС аналоговые сигналы яркости и цветности сжимаются во времени и передаются поочередно, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот, повысить разрешающую способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности. Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием сигнала с некоторой тактовой частотой, преобразованием отсчетов в цифровую форму, накоплением их в буферной памяти, ускоренным считыванием с новой, более высокой тактовой частотой и обратным преобразованием в аналоговую форму.

Звуковые сигналы преобразуются в цифровую форму и передаются в интервале обратного хода луча. Высшая частота в спектре звукового сигнала составляет 15 кГц, частота стробирования выбрана равной 32 кГц. В зависимости от требований к качеству звучания используется линейное аналого-цифровое преобразование с точностью 14 бит/отсчет либо почти мгновенное компандирование с точностью 10 бит/отсчет, помехоустойчивое двухуровневое кодирование обеспечивает эффективную защиту от ошибок. Скорость цифрового потока в разных вариантах составляет от 352 до 608 Кбит/с.

Сформированные тем или иным способом цифровые сигналы отдельных каналов, импульсы синхронизации, коррекции ошибок и другие дискретные сигналы сводятся в общий цифровой поток. Передача этого цифрового потока совместно с сигналом изображения в системах типа МАС может осуществляться одним из трех способов:

1. с разделением по частоте (система А);

2. с разделением по времени на видеочастоте (система В);

3. с разделением по времени на несущей частоте (система С).

Первая буква, входящая в полное обозначение стандарта семейства МАС (например, С–МАС/packet), как раз и означает способ передачи цифрового сигнала.

В системе А, как уже отмечалось выше, без заметного ухудшения качества изображения удается передать цифровой поток со скоростью 1,5…2 Мбит/с, что соответствует трем–четырем высококачественным каналам. В системе В скорость передачи не превышает 1,5...1,6 Мбит/с, что позволяет организовать два четыре канала с ИКМ или до шести каналов с АДМ. Наилучшие результаты получаются в системе С при фазовой манипуляции несущей частоты в интервале гасящего импульса. Средняя скорость передачи в этом случае достигает 3 Мбит/с, а пропускная способность в зависимости от способа кодирования составляет от четырех до восьми звуковых программ. Объединение цифровых потоков отдельных каналов в стандарте С-МАС осуществляется методом пакетного мультиплексирования, что отражено в полном названии стандарта: С-МАС/packet. Пакет представляет собой набор данных объемом 751 бит и содержит головную часть с адресом пакета (23 бита) и область полезных данных (91 байт).

Для сопряжения по полосе частот видеосигнала с сетями кабельного телевидения разработаны стандарты D-МАС и D2-МАС. В стандарте D-МАС/packet бинарный (двоичный) цифровой поток преобразуется в дуобинарный (трехуровневый), в котором логическому 0 соответствует импульс нулевой амплитуды, а логической 1 – импульс положительной или отрицательной полярности Объединение видеосигнала и дискретной последовательности осуществляется по видеочастоте, как в системах типа В. Дальнейшее снижение занимаемой цифровым сигналом полосы частот в стандарте D2-МАС достигается снижением вдвое скорости цифрового потока и соответственно пропускной способности до двух–четырех звуковых сигналов вместо четырех–восьми в D-МАС.

Появление в последнее время стандартов цифрового сжатия привело к тому, что стандарт D/D2–МAC/packet утратил свою роль преимущественного метода передачи в диапазоне 11,7...12,5 ГГц и уступает ее цифровым методам. В этом стандарте пока еще работают несколько спутниковых систем, но область его применения заметно сокращается.