Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
4.6. Э ВОЛЮЦИЯ ТРУБОК МОБИЛЬНЫХ ТЕЛЕФОНОВ Первый носимый сотовый телефон Мартина Купера представлял собой трубку весом около 1,15 кг и размерами 22,5×12,5×3,75 см (рис. 4.8). На передней панели было расположено 12 клавиш, из них 10 цифровых и две для отправки вызова и прекращения разговора. Дисплея и дополнительных функций в телефоне не было. Аккумулятор позволял общаться 35 мин, но заряжать его приходилось более 10 ч. В 1987 г. фирма Nokia представила Mobira Cityman 900 – первый телефон для сетей NMT. Вес Nokia Mobira Cityman 900 составлял примерно 800 г. Цена была высокая – в пересчете на нынешние российские деньги более 200 000 руб. Телефон Nokia 101 (1992 г.)был первым коммерчески доступным для населения устройством, способным функционировать в сетях GSM. Моно- блок с монохромным экраном имел выдвижную антенну и книгу на 99 номеров (рис. 4.9). Рис. 4.8. Первый сотовый телефон 93 Первый смартфон Nokia 9000 Communicator весил 397 г, имел 8 Мб памяти (враз меньше нынешних смартфонов) и монохромный экран. Особенностью смартфона была клавиатура, упрощающая работу с текстом (рис. 4.10). Sharp J-SH04 – первый телефоном с фотокамерой. Он вышел в Японии в 2000 г. Сегодня разрешение этой камеры является крайне низким – 0,1 Мп, однако тогда J-SH04 представлялся чем-то невероятным. Памяти хватало лишь на пару десятков снимков. Первым массовым смартфоном с камерой 0,3 Мп стала Nokia 7650, которая появилась в 2002 г. (рис. 4.11). Рис. 4.9. Телефон Рис. 4.10. Первый смартфон Рис. 4.11. Телефон Nokia 101 Nokia 9000 Communicator Nokia 7650 В 2005 г. мало кто мог представить, что фирма Apple, специализирующаяся на компьютерах и музыкальных плеерах, решится навыпуск мобильных телефонов. Первая версия Apple iPhone вышла в США в 2007 г. У телефона был 3,5- дюймовый сенсорный экран, 2-мегапиксельная камера, удобный интерфейс. Аппарат поддерживал только сети второго поколения. В 2008 г. вышел iPhone 3G. Концепция затри года не поменялась – в центре внимания разработчиков были разнообразные программные приложения и удобный интерфейс. В 2009 г. Apple предложила iPhone 3GS. В нём уже были 3 Мп, авто- фокус, функция записи видео качества (640×480 пикселей). В 2010 г. выходит iPhone 4 с камерой на 5 Мп. У него появились вспышка и функция записи видео (1920×1080 пикселей), а также фронтальная камера FaceTime для селфи. 94 iPhone 6 2014 г. выпуска был оснащен новым 12-мегапиксельным модулем для фото- видеосъемок. В 2016 г. вышли iPhone 7 plus, Samsung Galaxy S7 и ряд других теле- фонов-флагманов достаточно большого количества фирм, обладающих вычислительными характеристиками, не уступающими настольным компьютерами фотографическими – на уровне профессиональных фотокамер. Интересно проследить эвлюцию размеров сотовых телефонов. До определенного времени они уменьшались в связи с ростом степени интеграции электронных компонентов, но затем по мере возрастания роли видеоконтента и необходимости повышения качества его восприятия и разрешающей способности стали увеличиваться размеры экрана, но продолжилась тенденция уменьшения толщины корпуса (рис. 4.12). В настоящее время прорабатываются технологии гибкого экрана и корпуса. Рис. 4.12. Эволюция размеров сотовых телефонов Областью, в которой начинают использоваться мобильные телефоны, является m-commerce (мобильная торговля. Короткие текстовые сообщения с мобильного телефона используются вместо наличных денег икре- дитных карт для оплаты продуктов в торговых автоматах, билетов в кино и других сферах жизни. Оплата будет включена в счет мобильного телефона, снабженного технологией NFC (Near Field Communication). 6 марта 2017 г. исполнилось 34 года с момента создания сотового телефона. Мобильные телефоны стремительно совершенствуются. Однако технические характеристики уже не так важны, как раньше, поскольку сегодня производители много внимания уделяют функциональным возможностям, эргономике, дизайну, интеграции с социальными сервисами, магазинам приложений. 95 Контрольные вопросы к теме 4 1. Основные принципы действия мобильной сотовой связи. 2. В чем преимущества УКВ-диапазона для организации сотовой связи по сравнению с более длинными радиоволнами 3. По какому маршруту передается сигнал в системе сотовой связи от абонента к абоненту 4. Достигаемые эффекты приуменьшении размеров ячеек сотовой связи. 5. В чем состоит преимущество модуляции GMSK по сравнению MSK для сотовых систем связи 6. Цифровые стандарты сотовой связи и их преимущества по сравнению с аналоговыми. 7. Какие технологии определяют тенденции развития смартфонов? Список рекомендуемой литературы 1. Каганов, В. И. Радиотехника от истоков до наших дней : учеб. пособие В. И. Каганов. – М. : Форум : НИЦ ИНФРА-М, 2015. – 352 с. 2. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 3. Богомолов, СИ. Введение в специальность Радиосвязь, радиовещание и телевидение : учеб. пособие. – Томск : Факультет дистанционного обучения ТУСУР, 2010. – 162 с. 4. Украинцев, Ю. Д. История связи и перспективы развития телекоммуникаций учеб. пособие / Ю. Д. Украинцев, МА. Цветов. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 128 с. 96 Тема 5 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ Волоконная оптика как направление техники связи возникла после 1950 г. В это время научились делать тонкие двухслойные волокна из различных прозрачных материалов (стекло, кварц и др. Было установлено, что если соответствующим образом выбрать оптические свойства внутренней (сердцевины) и наружной (оболочки) частей такого волокна, то луч света, введенный через торец в сердцевину оптоволокна, будет только по нему и распространяться, отражаясь от оболочки. Даже если волокно изогнуть, луч будет удерживаться внутри. Таким образом, световой луч, попадая в оптическое волокно, может распространяться по любой криволинейной траектории (рис. 5.1). Рис. 5.1. Распространение света в оптическом волокне По аналогии с проводом для электрического тока оптическое волокно часто называют световодом Стеклянные или кварцевые волокна толщиной всего в 2–3 раза больше человеческого волоса обладают высокими гибкостью (их можно наматывать на катушку) и прочностью (прочнее стальных нитей того же диаметра. Однако световоды х годов были недостаточно прозрачны, и при длине 5–10 м свет в них практически полностью поглощался. В 1966 г. английский инженер Чарльз Као обнаружил причину быстрого рассеяния света и придумал, каким образом его можно избежать свет рассеивался на металлических примесях в стекле. Стекло, очищенное от примесей железа, оказалось более дорогим, но значительно лучшим проводником света. С волокном из самого чистого стекла стало возможным 97 передавать сигналы на многие десятки километров. Первое ультрачистое волокно было успешно изготовлено в 1970 г. За этот результат Ч. Као в 2009 г. получил Нобелевскую премию по физике. В результате многочисленных экспериментов Ч. Као и его коллеги обнаружили, что наиболее подходящим материалом для волокна является диоксид кремния – это именно тот материал, который используется в современной электронике. В зависимости от распределения показателя преломления и отвели- чины диаметра сердечника оптоволокна подразделяются на одномодовые и многомодовые рис. 5.2). Рис. 5.2. Одномодовое и многомодовое оптоволокно Многомодовое оптоволокно, или MultiMode (способно передавать несколько независимых световых сигналов (мод, которые различаются фазами или длинами волн. В него можно запустить сразу несколько сотен световых мод, которые вводятся под разными углами. Однако в таком волокне возникает модовая дисперсия, иначе говоря, – рассеивание. В результате уменьшается пропускная способность и расстояние между повторителями (ретрансляторами) сигнала. Пропускная способность многомодового оптоволокна составляет до 2,5 Гбит/с. Одномодовое оптоволокно (одномод), или SingleMode (SM), передает только одну моду (один световой сигнал. Поскольку такое волокно имеет сердечник диаметром 10 мкм и меньше (очень тонкий, при передаче сигнала наблюдается меньшая модовая дисперсия. Это позволяет передавать сигнал на большие расстояния, не используя повторители. Однако одномодовое оптоволокно и сопутствующие его компоненты приема- передачи оптического сигнала стоят дороже. Пропускная способность одномодового оптоволокна составляет 10 Гбит/с и более. 98 Как правило, многомодовый кабель используют при монтаже воло- конно-оптических линий связи (ВОЛС) небольших длин, например для соединения помещений внутри здания или отдельных зданий при расстояниях, не превышающих 5 км. При больших расстояниях предпочтительно использовать одномодовый оптический кабель. Параметры современного оптоволокна значительно превышают достигнутые Ч. Као. Оно способно проводить свет с потерями не более 5 % на каждый километр длины. В 1988 г. был проложен первый межконтинентальный оптоволоконный кабель длиной 6 000 км, связавший Америку с Европой. Стечением времени и развитием массового производства волоконная оптика дешевела, и теперь даже в обычную квартиру проводят оптоволокно, а по всей планете его уложено уже больше миллиарда километров (более чем шесть расстояний от Земли до Солнца. ВОЛС в настоящее время считаются самой совершенной физической средой для передачи информации. В системах связи используются три диапазона длин волн 0,85, 1,30 и 1,55 мкм (рис. 5.3). Все три диапазона обладают полосой пропускания от 25 000 до 30 000 ГГц. Рис. 5.3. Ослабление света в инфракрасной области спектра при прохождении через оптическое волокно Первым стал применяться диапазон вокруг 0,85 мкм. Он обладает более высоким ослаблением, поэтому используется для передачи на короткие расстояния. У двух остальных диапазонов показатели по ослаблению лучше менее 5 % потерь на километр. В настоящее время широко используется диапазон 1,55 мкм и волоконные усилители с добавкой эрбия. 99 ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ ВОЛС Кроме решения проблемы повышения прозрачности оптоволокна для оптических систем дальней связи необходим был мощный источник света. В 1954 г. российские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового газового генератора радиоволн с длиной волны 1,2 см, получившего название мазер (Micro- wave amplification by stimulated emission of radiation). В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии. В 1960 г. американский ученый Т. Мейман создал квантовый генератор на рубине, индуцирующий излучение оптического диапазона (оптический квантовый генератор. Новый генератор назвали лазер. Этот термин образовался в результате замены буквы м в слове мазер на букву лот англ. слова light – свет. Рубиновый кристалл, с которым работал Т. Мейман, имел форму стержня, на торцевых поверхностях которого путем нанесения серебра были сформированы отражающие зеркала (рис. 5.4). Рис. 5.4. Принцип работы рубинового лазера В лазере Меймана импульсная лампа накачивает энергию вруби- новый стержень. В веществе стержня, возбужденном световой вспышкой, индуцируются фотоны красного цвета. Отражаясь в зеркалах, свет накапливается, фокусируется и выходит в форме лазерного луча. Так как все фотоны когерентны (совпадают по фазе, то луч света практически не рассеивается. После создания первых мазеров и лазеров начались работы, направленные на их использование в системах связи. Возросший интерес копти ческой связи с помощью лазерного излучения был вызван тем, что информационная емкость светового диапазона волн на несколько порядков превышает возможности радиодиапазона. Особенно эффективным оказалось соединение свойств лазера и оптического волокна. В 1973–1974 гг. расстояние, которое лазерный луч мог пройти по волокну, достигло 20 км, а к началу х годов превысило 200 км. Скорость передачи информации по ВОЛС возросла до значений в несколько Гбит/с. К 1975–1976 гг. потери в оптическом волокне были снижены доне- скольких децибел на километра в 1977 г. были получены предельные для используемой технологии потери в 0,20 дБ/км (около 5 % по мощности. Началось стремительное развитие технологий, связанных с ВОЛС: – появление новых методов изготовления волокон – создание необходимых элементов (миниатюрные лазеры, фотоприемники, оптические разъемные соединители и т. п. В 1990 г. Линн Моллинар, сотрудник фирмы Bellcore, продемонстрировал возможность передачи сигнала без регенерациисо скоростью 2,5 Гбит/с на расстояние около 7 500 км. Таким образом, были созданы условия для прокладки волоконного кабеля по дну Тихого и Атлантического океанов с целью создания ВОЛС, не требующей установки промежуточных усилителей. В современных ВОЛС световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. Значительный вклад в технику ВОЛС внес российский ученый, лауреат Нобелевской премии Жорес Иванович Алферов. В 1970 г. академик Ж. И. Алферов впервые реализовал полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры АlАs-GaAs с непрерывной генерацией при комнатной температуре. За это научное открытие он был удостоен Нобелевской премии. Именно такие лазеры позволили создать многие устройства (CD-рекордеры и т. п, без которых невозможно было проникновение высоких информационных технологий в нашу повседневную жизнь. В 1995 г. Ж. И. Алфёров со своими сотрудниками впервые продемонстрировал инжекционный гетеролазер на квантовых точках, работающий при весьма малых токах потребления в непрерывном режиме при комнатной температуре. Он нашел широкое применение в качестве источника излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности. 101 Появление новых высокоэффективных лазеров позволяет значительно повысить скорость и дальность передачи информации в ВОЛС не только на основе одномодовых, но и многомодовых волокон. Благодаря развитию высоких технологий производства оптических передатчиков и приемников, сетевых технологий и технологий спектрального уплотнения и обеспечены высочайшие темпы развития ВОЛС. Существующая ныне оптоволоконная технология может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и до достижения ее физического предела нам еще далеко. Сегодняшний практический предел в 100 Гбит/с обусловлен нашей неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Для того чтобы достичь более высокой скорости, по одному волокну одновременно нужно передать данные нескольких каналов. ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ВОЛС Основные преимущества ВОЛС, по сравнению с электрическими кабельными линиями, состоят в следующем 1) сверхвысокая скорость передачи информации (несколько Тбит/с); 2) ВОЛС не подвержены действию внешних электромагнитных помех из-за отсутствия электронной проводимости жилы кабеля 3) высокая защищенность от перехвата информации, так как световой сигнал не проходит через оболочку ВОЛС; 4) отличные массогабаритные показатели, поскольку применяемые материалы имеют малую удельную массу 5) простота прокладки, монтажа и эксплуатации оптического кабеля, возможность совмещения ВОЛС с любыми другими коммуникациями вследствие невосприимчивости ВОЛС к внешним помехам 6) в волоконных световодах в отличие от электрических цепей в принципе невозможно искрение, что позволяет использовать их во взрывоопасных объектах 7) малая стоимость, обусловленная тем, что материал световода (диоксид кремния) имеет неограниченный сырьевой ресурс (песок, тогда как основу проводных линий составляют такие дорогие металлы, как медь и свинец. 102 Перечисленные преимущества являются весьма существенными и этим объясняется стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи. В настоящее время в мировом информационном трафике именно ВОЛС играют главную роль. Контрольные вопросы к теме 5 1. Первые лауреаты Нобелевской премии по физике в области квантовых генераторов. 2. Принцип работы лазера. 3. Назначение и принцип действия оптоволоконного кабеля. 4. Различия между одномодовыми и многомодовыми световодами. Их достоинства и недостатки. 5. Основные преимущества ВОЛС по сравнению с электрическими кабелями. 6. Вклад Ж. И. Алферова в создание техники для ВОЛС. Список рекомендуемой литературы 1. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 2. Таненбаум, Э. Компьютерные сети / Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл. – 5- е изд. – СПб. : Питер, 2012. – 960 с. 3. Украинцев, Ю. Д. История связи и перспективы развития телекоммуникаций учеб. пособие / Ю. Д. Украинцев, МА. Цветов. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 128 с. 103 Тема 6 ТЕЛЕВИДЕНИЕ Телевидение – это область науки, техники и культуры, связанная с передачей зрительной информации (подвижных изображений) на расстояние радиоэлектронными средствами. ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА Как и другие сложные технические решения, телевидение появилось и развилось благодаря усилиям многих изобретателей. Все системы телевидения основаны на принципе последовательной передачи элементов изображения (точек, пикселей) с помощью развёртки. Частота смены кадров изображения выбирается исходя из критерия плавности передачи движения. В аналоговых системах телевидения частота кадров была 25 Гц (50 Гц при чересстрочной развертке) при 625 строках в кадре (рис. 6.1). Рис. 6.1. Принцип развертки изображения ФОТОЭФФЕКТ – ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ТЕЛЕВИДЕНИЯ В основе первых систем телевидения лежит открытие фотоэффекта в селене, сделанное Уиллоуби Смитом в 1873 г. Фотоэффект – это эффект испускания электронов веществом под воздействием света. Большой вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888–1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод, сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод, представлял собой металлическую сетку, нанесён- ную на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Из корпуса 104 откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение к катоду отрицательное, к аноду положительное. Катод освещался светом разной интенсивности. Величина тока регистрировалась гальванометром. Столетов обнаружил, что ток электронов линейно зависел от силы света (рис. 6.2). Наиболее чувствительными к свету оказались катоды, изготовленные из алюминия, меди, цинка, серебра, никеля. А в 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта как вариант закона сохранения и превращения энергии. Рис. 6.2. Схема опытов Столетова по исследованию фотоэффекта ПРИНЦИП МЕХАНИЧЕСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Исторически первой была реализована система механического телевидения. В 1883 г. немецкий студент Пауль Нипков придумал способ последовательного механического разложения (развертки) передаваемого изображения на отдельные элементы с помощью вращающегося диска с отверстиями. Свет от элементов предмета через отверстия диска поступал на фотоэлемент (рис. 6.3). На приемном конце была установлена лампа, яркость которой изменялась в соответствии с сигналом фотоэлемента. Свет от лампы проходил через отверстие приемного диска Нипкова, который вращался синхронно с передающим. В результате на экране воспроизводилось изображение, похожее на изображение предмета. Частота кадров была равна числу полных оборотов диска в секунду. 105 Рис. 6.3. Схема механического телевидения Нипкова Диск Нипкова в разных видоизменениях стал непременным элементом систем механического телевидения, разрабатывавшихся в последующие полвека. Основанные на диске Нипкова телевизионные системы (рис. 6.4) практически были реализованы лишь в 1925 г. Дж. Бэрдом в Великобритании, Ч. Дженкинсом в США и Л. С. Терменом в СССР. а б Рис. 6.4. Первый телевизор на механическом принципе а – границы изображения, формируемого диском Нипкова; б – внешний вид механического телевизора Вплоть до концах годов XX в. развитие телевидения шло в двух направлениях – механическом и электронном, и только потом электронное телевидение вытеснило механическое. ИЗОБРЕТЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ В 1879 г. английским физиком Уильямом Круксом были открыты вещества люминофоры, способные светиться при воздействии на них потоком электронов. 106 В 1897 г. немецкий физик Карл Фердинанд Браун изобрел катодно- лучевую трубку, те. создал основу для развития электронного телевидения. В трубке Брауна электронный луч отклонялся с помощью электромагнита только водном измерении, второе направление развёртывалось с помощью вращающегося зеркала (рис. 6.5). Рис. 6.5. Катодная трубка Брауна С 1902 гс трубкой Брауна работал русский ученый Борис Львович Розинг. 25 июля 1907 гон подал заявку на изобретение Способ электрической передачи изображений на расстояния. Патенты в Англии и Германии были получены Розингом в 1908–1910 гг. Согласно патентному описанию изображение воспроизводится последовательно точка заточкой на флуоресцирующем экране трубки Брауна или другого подобного прибора пучком катодных лучей, совершающих движения, подобные и синхронные сдвижением осей световых пучков, идущих на станции отправления от элементов изображаемого поляк фотоэлектрическому приемнику. В приемной трубке Розинга электронный луч, эмитируемый катодом К, совершает под воздействием отклоняющих электромагнитов Е и F построчное движение по флюоресцирующему экрану Р. Розинг предложил ввести в катодную трубку управляющие пластины d, на которые подается сигнал от фотоэлектрического приемника. Благодаря этому через диафрагму D проходит электронный луч большей или меньшей интенсивности в зависимости от потенциала на пластинах d. Модулированный таким образом луч вызывает свечение флюоресцирующего экрана с различной яркостью в разных точках соответственно передаваемому изображению (рис. 6.6). Приемная телевизионная трубка Розинга в дальнейшем получила название кинескоп. 107 Рис. 6.6. Кинескоп Розинга 9 мая 1911 г. на заседании Русского технического общества Розинг продемонстрировал передачу телевизионных изображений простых геометрических фигур и приём их с воспроизведением на экране электронно- лучевой трубки (ЭЛТ). На демонстрациях присутствовали студент го курса Владимир Константинович Зворыкин, помогавший Б. Л. Розингу в проведении экспериментов. По окончании в 1912 г. Петербургского технологического института В. К. Зворыкин продолжил работу по созданию системы электронного телевидения. В 1919 г. В. К. Зворыкин эмигрировализ России, опасаясь быть подвергнутым репрессиям. Развитием системы электронного телевидения он занимался в Америке в исследовательской лаборатории фирмы Westinghouse Electric , а затем в Radio Corporation of America (RCA). Ему удалось создать главный компонент системы электронного телевидения передающую трубку с накоплением зарядов, которую он назвал иконоскопом (по-гречески наблюдать изображение, запатентованную им в 1923 гав гон запатентовали более совершенный по сравнению с известными вакуумный кинескоп рис. позволявший получать за счет тонкого сфокусированного электронного луча изображение с весьма высокой четкостью. Рис. 6.7. Схема кинескопа Зворыкина 108 Иконоскоп (рис. 6.8) – первая электронная передающая телевизионная трубка, позволившая начать массовое внедрение телевидения. Принципиально важным в этой трубке было то, что фотокатоды из серебряных зерен на пластине слюды запоминали заряды, образуемые фокусируемым на них изображением, а сканирующий электронный луч считывал эти заряды и тем самым модулировался, те. менял свою силу в соответствии с яркостью точек изображения. Рис. 6.8. Схема иконоскопа Зворыкина По совокупному вкладу в создание и развитие телевизионных компонентов и системы в целом принято считать, что именно В. Зворыкин является изобретателем электронного телевидения. 26 июня 1933 г.Зворыкин выступил на годичной конференции Американского общества радиоинженеров с докладом, в котором подвел итоги своей работы над передающей телевизионной трубкой и сообщило разработке им с группой сотрудников полностью электронной ТВ-системы рис. 6.9) сч ткостью около 300 строк. Рис. 6.9. Система телевидения Зворыкина 109 В 1933 г. В. К. Зворыкин был приглашен в СССР, где был заключен договор о поставках оборудования, разработанного В. К. Зворыкиным, для Московского телецентра. В 1938 г.телевизионная программа этого центра вышла в эфир. 25 марта 1938 г. Московский телецентр начал опытные передачи. Первым в эфир вышел кинофильм Великий гражданин. 5 ноября того же года была организована трансляция большого праздничного концерта. Много лет спустя директор исследовательской лаборатории компании RCA назвал В. К. Зворыкина лучшим подарком, который Россия сделала Америке. К настоящему время эра иконоскопов и кинескопов практически завершилась. Начало этому было положено в 1968 г, когда Дж. Хейлмейер США) создал дисплей на жидких кристаллах – Liquid Crystal Display (LCD) рис. 6.10), и начался переход от электронно-лучевых трубок к плоским экранам как в телевизорах, таки в компьютерах. Рис. 6.10. Устройство жидкокристаллического дисплея В 1969 г. Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в лабораториях Белла (AT&T Bell Labs) был изобретен прибор с зарядовой связью (ПЗС) – специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния. ПЗС- матрицы (рис. 6.11), выполняемые по технологиям микроэлектроники, вытеснили иконоскопы из передающих телевизионных и видеокамер. В 2009 г. создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике. 110 Рис. 6.11. ПЗС-матрица ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Первые идеи создания систем передачи цветного изображения пора- диоканалам, также как и многие другие идеи, возникли задолго до того, как появились технические возможности их реализации. В 1900 г. русский ученый Александр Аполлонович Полумордвинов на основе трехкомпонентной теории цветовосприятия создал первый проект механической ТВ-системы с последовательной передачей цветов. Однако действующего образца ему создать не удалось. Согласно трехцветной модели любой цвет изображения может быть воспроизведен в результате суммирования в определенных пропорциях трех основных цветов – красного, синего и зеленого (рис. 6.12). При этом необязательно, чтобы все составляющие цвета были абсолютно точно совмещены (рис. 6.13), достаточно только, чтобы они были размещены настолько близко друг к другу, чтобы глаз воспринимал эту триаду как одну точку (пиксель), либо воспроизводились последовательно, но достаточно быстро. Рис. 6.12. Трехкомпонентная модель цветовоспроизведения в цветном телевидении 111 Рис. 6.13. Принцип работы цветной ЭЛТ В системе цветного телевидения из исходного цветного изображения с помощью фильтров выделяются три указанные спектральные области, информация об интенсивности которых передается по каналу связи, а на приемном конце вновь воспроизводится их сумма по алгоритму, соответствующему тому или иному стандарту. Первым удалось осуществить практическую демонстрацию механической системы цветного ТВ Дж. Бэйрду в Англии в 1928 г. При этом был использован принцип последовательной передачи трёх изображений основных цветов – красного, синего и зеленого. Первый коммерческий электронный цветной телевизор RCA CT-100 был разработан В. К. Зворыкиным в 1954 г. Эта модель была оснащена дюймовым экраном. Несколько позже были разработаны модели с диагоналями 19 и 21 дюйм. Стоили такие системы дороже тысячи долларов США, а следовательно, были доступны далеко не всем. Из-за сложностей повсеместной организации цветного телевещания цветные модели телевизоров не могли быстро вытеснить черно-белые, и долгое время оба вида телевизоров производились параллельно. СТАНДАРТЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ С целью обеспечения взаимной совместимости телевизионных программ различных стран и телевизионной аппаратуры, изготовленной различными производителями в х годах ХХ в.были разработаны стандарты на системы черно-белого ТВ-вещания. Стандарт телевизионного вещания регламентирует порядок формирования телевизионного сигнала для его эфирной передачи. 112 Уже в эпоху чёрно-белого телевидения возникло несколько разных стандартов разложения изображения, отличавшихся числом строк, частотой кадров и другими параметрами. Чем выше число строк, тем выше качество и четкость изображения, но тем шире должна быть используемая полоса частот, соответственно сокращается число каналов в отведенном диапазоне частот. Европейский, в том числе российский, стандарт разложения для передачи использует 625 строк, из которых видимых на экране 576 (рис. 6.14). Согласно этому стандарту передача видеосигналов осуществлялась с помощью амплитудной модуляции (АМ) с одной (верхней) боковой полосой частот (ОБП). Нижняя боковая полоса частот при этом частично подавлялась. Звуковой сигнал было решено передавать методом частотной модуляции несущей звука (f н.з ), расположенной выше спектра видеосигнала. Этот метод передачи аналогового телевидения используется до настоящего времени. Рис. 6.14. Европейский стандартна спектр сигналов телевидения Американский стандарт использует 525 строк, из которых активными являются – 480 (стандарт VGA). Соответственно картинки на экранах телевизоров, использующих этот стандарт (число эквивалентных «пиксе- лей, примерно на 16 % хуже, чем при использовании европейского стандарта, зато соответственно снижается полоса частот сигнала и уровень шума. Во Франции применялась система с 819 строками, которая в настоящее время не используется. С переходом к цветному телевидению увеличилось число систем, так как на разные стандарты разложения накладывались стандарты кодирования 113 цвета. Современные аналоговые системы цветного ТВ-вещаниястандартов NTSC, PAL и SECAM были разработаны в е годы XX в, ив г. на Пленарной Ассамблее МККР в Осло было рекомендовано их применение. В Европе были приняты французская телевизионная система кодирования телевизионного сигнала SEKAM и немецкая PAL. В странах Америки. В СССР внедрение системы началось в 1967 г. Новая эра в развитии ТВ-вещания наступила в 1994 г, когда создаются европейские стандарты цифрового ТВ DVB (Digital Video Broadcasting) и североамериканский стандарт ATSC (Advanced Television System Committee), определяющие способы передачи информационного цифрового потока по разным каналам связи (наземным, радио, кабельным, спутниковыми т. д. Для формирования информационного цифрового потока и сокращения избыточности ТВ-сигнала используются стандарты MPEG-2 и MPEG-4 (MPEG – Moving Picture Expert Group) для общего сжатия движущихся изображений и звука, что позволяет в радиоканале с шириной полосы частот МГц передавать, в зависимости от требуемого качества приема, четыре шесть обычных ТВ-программ либо одну программу телевидения высокой четкости. Появилась, в частности, возможность распространения звуковых и телевизионных программ посети Интернет. Современные стандарты цифрового телевидения высокой сти предусматривают количество строки, что обеспечивает высокое качество изображения. Использование для передачи цифрового сжатия потока видеоданных позволяет передавать такое изображение по относительно узкому каналу. Дальнейшим продолжением тенденции повышения чёткости является распространение телевидения сверхвысокой чёткости (Ultra HD/4K и 8K). Проблемы совместимости, возникающие при использовании различных стандартов в настоящее время, решаются достаточно просто за счет разработки многосистемных телевизионных приемников (телевизоров, автоматически подстраивающихся под принимаемый стандарт изображения и звука. 114 Контрольные вопросы к теме 6 1. Принцип формирования сигнала в телевидении. 2. Принцип действия первой телевизионной системы с механической разверткой. 3. Явление фотоэффекта. 4. Принцип действия первого электронного телевизионного устройства Б. Л. Розинга. 5. Роль В. К. Зворыкина в развитии электронного телевидения. 6. Принцип действия иконоскопа и его современная замена в телевизионной системе. 7. Принцип действия кинескопа и его современная замена. 8. Трехкомпонентная модель цветовоспроизведения в цветном телевидении. Три основных стандарта аналогового цветного ТВ-вещания. 10. Основные стандарты цифрового ТВ-вещания. Список рекомендуемой литературы 1. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 2. Богомолов, СИ. Введение в специальность Радиосвязь, радиовещание и телевидение : учеб. пособие. – Томск : Факультет дистанционного обучения ТУСУР, 2010. – 162 с. 3. Одинец, АИ. История отрасли : конспект лекций / АИ. Одинец, ЛИ. Федорашко. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2008. – 47 с. 4. Борисов, В. П. Российско-американское изобретение электронного телевидения к 120-летию со дня рождения В. К. Зворыкина / В. П. Борисов // ЭИС. Электросвязь история и современность. – 2009. – № 1. – С. 29–33. 5. Варбанский, А. М. От механического телевидения к электронному / А. М. Варбанский // Электросвязь : ежемес. науч.-техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 1981. – № 10. – С. 1–5. 6. Быховский, МА. Личность, свобода и развитие телевидения / МА. Быховский // ЭИС. Электросвязь история и современность. – 2006. – № 2. – С. 8–15. 7. Борисов, В. П. Владимир Козьмич Зворыкин / В. П. Борисов. – М. : Наука, 2004. – 147 с. |