Сети и телекоммуникации

201

Упрощенная схема одного из типов передающих трубок (видикона) при-

ведена на рис. 14.2. В стеклянном вакуумном баллоне трубки расположены два электрода — электронный прожектор и мишень. Прожектор создает электрон-

ный луч, направленный в сторону мишени. Поперечное сечение луча формиру-

ется фокусирующей системой (ФС). Направление луча, определяющее место его встречи с мишенью, задается отклоняющей системой (ОтС). Источник пи-

тания G, прожектор, электронный луч, мишень и нагрузка Rн образуют элек-

трическую цепь. Мишень имеет два слоя. Первый является прозрачным для света и обладает постоянной электропроводимостью. Второй, обращенный к прожектору, изготавливается из вещества, обладающего внутренним фотоэф-

фектом. Движущееся изображение проецируется на мишень при помощи объ-

ектива. При этом отдельные участки мишени будут освещены по-разному, а по-

тому вследствие внутреннего фотоэффекта будут иметь разную электропровод-

ность. Ток в цепи будет пропорционален электропроводности участка мишени,

которого в данный момент касается электронный луч. Отклоняющая система трубки обеспечивает безинерционное перемещение электронного луча по гори-

зонтали и вертикали. Тем самым обеспечивается последовательное преобразо-

вание лучистой энергии, отраженной от участков подвижного изображения, в

сигнал, который принято называть видеосигналом.

Аналогично видикону работает и трехкомпонентная цветная передающая трубка (ЦПТ). Световой поток от передаваемой сцены делится светораздели-

тельной оптикой (СРО) на 3 основные компоненты. Трехкомпонентная ЦПТ преобразует уровни световых интенсивностей каждой компоненты в соответст-

вующие уровни электрических сигналов.

Для передачи по каналу кодирующее устройство формирует сигнал ярко-

сти Uy и два цветоразностных сигнала Ur-y и Uв-y. В целях поддержания синхро-

низма развертки изображения в канал связи передаются сигналы синхронизации Uси.

202

Декодирующее устройство восстанавливает исходные сигналы и форми-

рует сигнал развертки, которые синтезируют передаваемую сцену на экране те-

Упрощенная схема, поясняющая устройство приемной телевизионной трубки (кинескопа), приведена на рис. 13.3. Слой люминофора нанесен на внутреннюю поверхность широкой части стеклянного баллона. Электронный луч создается прожектором, формируется и ускоряется специальными электро-

дами (на рисунке не показаны). Интенсивностью электронного луча управляет видеосигнал. Луч направляется на люминофор и высвечивает поэлементно строку за строкой. Движение луча по горизонтали и вертикали задается откло-

няющей системой (ОтС).

Поскольку интенсивность луча изменяется в соответствии с изменением сигнала, яркость свечения каждой строки будет изменяться. Ввиду большой скорости перемещения луча по строкам и определенной инерционности зрения человек наблюдает на экране цельное оптическое изображение.

203

Принцип работы цветного кинескопа аналогичен рассмотренному. Для передачи каждого из трех цветов применяются три отдельные электронные пушки.

Баллон

ОтС

Электронный

луч

Сигнал

Электронный

прожектор

Люминофор

Рис. 14.3. Приѐмная телевизионная трубка (кинескоп)

В ТВ под кадром понимают совокупность элементов, на которые разби-

вается изображение. Геометрическое место последовательно передаваемых эле-

ментов в кадре называют телевизионным растром.

В ТВ системах растр строится по принципу линейно-строчной развертки.

На время обратного хода луча в полном ТВ сигнале вводятся гасящие им-

пульсы, в пределах которого передается синхронизирующая информация.

Параметры полного ТВ сигнала определяются свойствами зрения:

угол разрешения зрения 1,5...2ʹ;

число градаций яркости 70...90;

критическая частота мерцаний 48...50 Гц;

трехкомпонентная теория зрения. В соответствии с данной теорией лю-

бой цвет может быть представлен в виде композиции красного (R — red),

зеленого (G — green) и синего (B — blue). Чувствительность человече-

ского глаза данным цветам различна. Сигнал яркости (используемый в совместимых цветных ТВ системах) может быть получен как

204

UY = 0,3UR + 0,59UG + 0,11UB ;

более низкая разрешающая способность для цветных элементов — в 4

раза меньше, чем к изменению яркости (мелкие цветные элементы вос-

принимаются как черно-белые).

Наибольший объем информации содержит сигнал яркости и, в основном,

определяет полосу ТВ сигнала. Для передачи цветоразностных сигналов требу-

ется полоса примерно в 4 раза уже, чем яркостного сигнала.

Для сокращения полосы ТВ сигнала применяют чересстрочную разверт-

ку, при которой полный кадр изображения передается и воспроизводится за два поля. В первом поле развертываются нечетные строки растра, во втором — четные. Два поля образуют один кадр с полной четкостью.

В РФ и Европе частота полей принята 50 Гц, в США — 60 Гц.

Жидкокристаллические дисплеи (мониторы и телевизоры)

Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД, Liquid crystal display, LCD) или жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор) — плоский

дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дис-

плея.

Жидкие кристаллы впервые были обнаружены австрийским ботаником Райнитцером (Reinitzer) в 1888 г., но только в 1930 году исследователи из бри-

танской корпорации Marconi получили патент на их промышленное примене-

ние. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба.

Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и

Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избиратель-

ный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот в конце 1966 г. корпорация RCA продемонст-

рировала прототип LCD-монитора — цифровые часы.

205

Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация

Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В

октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компакт-

ные цифровые часы.

Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкок-

ристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точ-

ки. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана

5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160 120 пиксе-

лов.

Третий этап в развитии LCD-технологии начался в 80-х годах, когда в устройствах стали применяться STN-элементы с повышенной контрастностью.

Затем на смену им пришли многослойные структуры, позволяющие устранить ошибки при воспроизведении цветного изображения. Примерно тогда же поя-

вились активные матрицы на базе технологии a-Si TFT. Первый прототип мо-

нитора a-Si TFT LCD был создан в 1982 г. корпорациями Sanyo, Toshiba и Cannon. Впоследствии метод объединения 29-дюймовых активных панелей позво-

лил корпорации Sharp создать экран с диагональю 40 дюймов.

Рис. 14.4. «Вертикально закрученная» структура жидких кристаллов (типа «веер»)

206

Жидкие кристаллы — это органические вещества, проявляющие одно-

временно свойства кристалла и жидкости, и которые способны под напряжени-

ем изменять величину пропускаемого света. ЖКД представляет собой две стек-

лянные или пластиковые пластины, между которыми находится суспензия.

Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света (рис. 14.4 и рис. 14.5).

Подложка цветного фильтра

Подложка тонкоплѐночного транзистора

Рис. 14.5. Стеклянные подложки тонкоплѐночного транзистора и цветного фильтра

На рис. 14.6 показан нормальный «белый» режим работы ЖКД. Свет мо-

жет проходить через слои жидких кристаллов, пока к ним не приложено ника-

кой разности потенциалов, и молекулы жидких кристаллов будут изменять ори-

ентацию световой плоскости в соответствии с их собственными углами. Однако при подаче напряжения жидкокристаллические молекулы будут «закручивать» и «выпрямлять» свет, направляющийся к верхнему поляризационному фильтру.

207

Поэтому свет не сможет пройти сквозь активную область ЖКД, и эта область будет темнее окружающих зон.

Во всѐм ЖКД можно управлять каждой из ячеек (пиксель) индивидуаль-

но, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растѐт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражѐнным от подложки (в ЖКД без подсветки). Но чаще применяют искусственный ис-

точник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабили-

зирует свойства полученного изображения.

Электроды

Жидкие

кристаллы

Рис. 14.6. Реакция ЖК-суспензии при подаче напряжения между электродами

Существует несколько основных технологий при изготовлении ЖКД, ко-

торые различаются геометрией поверхностей, полимера, управляющей пласти-

ны и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полиме-

ра со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.

Важнейшими характеристиками ЖКД являются:

Разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в

пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК-мониторы имеют одно фик-

сированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией;

208

Размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей. Оно непосредственно связано с физическим разрешением;

Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.);

Видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали.

Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3

имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагона-

ли;

Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тѐмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах исполь-

зуется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведѐнная для них цифра контрастности (так называемая дина-

мическая) не относится к статическому изображению;

Яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр;

Время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изме-

нения своей яркости;

Угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного,

для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-

разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители ука-

зывают в технических параметрах своих мониторов углы обзора такие как: CR 5:1 — 176°/176°, CR 10:1 — 170°/160°. Аббревиатура CR (contrast ratio) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора от-

носительно перпендикуляра к экрану. При углах обзора 170°/160° контра-

стность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при уг-

лах обзора 176°/176° не ниже чем до значения 5:1;

Тип матрицы — технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно разви-

вающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно

209

отнести: малые размер и масса в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от маг-

нитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотреб-

ление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изо-

бражения может, как совпадать с потреблением ЭЛТ сравнимых размеров, так и быть существенно — до пяти раз — ниже. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (backlight — задний свет) ЖК-матрицы.

Вместе с тем, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто прин-

ципиально трудноустранимые, например:

в отличие от ЭЛТ, ЖК-мониторы могут отображать чѐткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интер-

поляцией с потерей чѐткости. Причем слишком низкие разрешения (на-

пример, 320×200) вообще не могут быть отображены на многих монито-

рах;

многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чѐрного цвета;

из-за жѐстких требований к постоянной толщине матриц существует про-

блема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки);

фактическая скорость смены изображения также остаѐтся ниже, чем у ЭЛТ;

зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаѐтся существенным минусом технологии;

ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствитель-

на матрица, незащищѐнная стеклом. При сильном нажатии возможна не-

обратимая деградация;

также существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, оп-

ределяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России — ГОСТ Р

210

52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Са-

мый высокий класс — 1, вообще не допускает наличия дефектных пиксе-

лей. Самый низкий — 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих;

 пиксели ЖК-мониторов обладают свойством деградации.

Характеристики существующих телевизионных систем

Система NTSC (National Television System Committee). Одновременная совместимая система цветного ТВ, в которой передается яркостной сигнал и расположенная в пределах его спектра поднесущая, квадратурно-модулиро-

ванная двумя цветоразностными сигналами. В приемнике осуществляется син-

хронное детектирование цветоразностных сигналов, для чего в пределах гася-

щего строчного импульса передается частота поднесущего колебания с опор-

ной фазой.

Европейский вариант NTSC: число строк 525, частота полей 60 Гц, подне-

сущая цветности 4,42 МГц, ширина полосы 2 1,3 МГц, несущая звука 6,5 МГц.

Американский вариант NTSC: число строк 525, частота полей 60 Гц, поднесу-

щая цветности 3,58 МГц, ширина полосы 1,3 и 0,5 МГц, несущая звука 4,5

МГц.

Система PAL (Phase Alternated Line). Квазисмешанная совместимая сис-

тема цветного ТВ с квадратурной модуляцией поднесущей. Фаза одной из квадратурных компонент поднесущей переключается на 180° от строки к стро-

ке и сигналы цветности соседних строк в приемнике суммируются.

Основные характеристики системы PAL: число строк 525, частота полей

60 Гц, поднесущая цветности 4,433 618 МГц, ширина полосы 2 1,3 МГц, несу-

щая звука 4,5 МГц.

Система SECAM. Квазисмешанная совместимая система цветного ТВ.

Поднесущие, расположенные в спектре яркостного сигнала, модулируются по частоте двумя чередующимися от строки к строке цветоразностными сигнала-