Большинство радиотелевизионных станций в России в настоящее время представляют собой систему из двух передатчиков, работающих на общий антенно-фидерный тракт. Один из них служит для передачи видеосигнала и, поскольку такой сигнал занимает очень широкую полосу частот, в нём, с целью экономии радиоспектра, используется амплитудная модуляция. Именно к такому передатчику в дальнейшем будет относиться термин «телевизионный». Второй передатчик предназначен для передачи звукового сопровождения. Поскольку спектр звуковых сигналов в сотни раз уже спектра видеосигнала, для его передачи используется частотная модуляция, позволяющая обеспечить высокую помехоустойчивость приёма. Такой передатчик принципиально не отличается от передатчиков ЧМ радиовещания и, поэтому в дальнейшем рассматриваться не будет.
Структурная схема одного из вариантов построения телевизионной радиостанции приведена на рисунке 10.2.
Рисунок 10.2 – Структурная схема телевизионной радиостанции
Каждый передатчик радиостанции, для повышения надёжности, состоит из двух полукомплектов, работающих в мостовой схеме сложения мощностей с использованием квадратурных мостов (М). В аварийной ситуации исправный полукомплект передатчика подключается к нагрузке в обход моста сложения мощностей с помощью переключателей s3…s6. Возбудитель также имеет резервный комплект, который в случае аварии включается в работу переключателями s1,s2.
Для обеспечения независимой работы передатчиков сигнала изображения и звукового сопровождения их выходы подключатся к антенно-фидерному тракту через разделительный фильтр (РФ). Этот фильтр предотвращает взаимное влияние передатчиков, которое может привести к перегрузке выходных ступеней и перекрёстной модуляции. Общая колебательная система радиостанции выполняется в виде полосового фильтра гармоник (ФГ).
Рассмотрим основные особенности телевизионного передатчика. Как уже было отмечено выше, в нем используется амплитудная модуляция. Однако и в этом случае полоса радиосигнала слишком велика (≈ 13 МГц). Поэтому спектр амплитудно-модулированного сигнала ограничивают, частично подавляя нижнюю боковую полосу, как показано на рисунке 10.3а.
Рисунок 10.3 – Амплитудно-частотные характеристики.
При этом нижние частоты видеосигнала передаются двумя боковыми полосами, а частоты лежащие выше 1,25 МГц – одной боковой. Таким образом, в процессе фильтрации боковой полосы, удаётся избежать значительных изменений амплитуды и фазы несущего колебания и наиболее мощных составляющих видеосигнала, непосредственно примыкающих к несущей. Однако в этом случае сигнал на выходе приёмника имел бы вид, представленный на рисунке 10.3б. Чтобы не допустить искажение принятого сигнала, АЧХ приёмника формируют в соответствии с рисунком 10.3в. В результате частичного подавления боковых полос в области нижних модулирующих частот, характеристика принятого сигнала выравнивается (рисунок 10.3г). Поскольку вблизи частоты среза фильтра в приёмнике возникают значительные фазовые искажения, их компенсируют с помощью фазовых корректоров. Причём половина искажений корректируется в приёмнике, а остальная часть устраняется путём предкоррекции в передатчике. В результате частичного подавления нижней боковой полосы спектр сигнала на выходе телевизионного передатчика удаётся разместить в полосе 8 МГц вместе с сигналом передатчика звукового сопровождения, который при максимальной звуковой частоте 20 кГц и стандартной девиации 50 кГц занимает согласно (9.11) и (9.14) полосу 250 кГц. Несущая частота сигнала звукового сопровождения выбирается на 6,5 МГц выше частоты несущей сигнала изображения.
Вследствие униполярности видеосигнала возможны два варианта амплитудной модуляции. В одном случае максимальный уровень сигнала соответствует уровню «белого» (позитивная модуляция), в другом – уровню синхроимпульсов (негативная модуляция). В мировой практике аналогового телевидения оба варианта находят применение. Отечественным стандартом предусмотрена только негативная модуляция, при которой обеспечивается максимальная помехоустойчивость системы синхронизации.
Уровень «белого» при негативной модуляции составляет 12,5% от пикового значения видеосигнала. Углубление модуляции до 0%, и тем более перемодуляция, когда несущая пропадает, не допустимы, т.к. несущая сигнала изображения используется в качестве частоты гетеродина при формировании промежуточной частоты звукового канала в телевизионном приёмнике. Отсутствие несущей изображения приведёт к пропаданию звукового сигнала.
Наличие постоянной составляющей в видеосигнале приводит к необходимости построения видеотракта по схемам усиления постоянного тока, что крайне сложно и нецелесообразно в виду многочисленности усилителей и корректоров, которые также строятся с использованием усилительных каскадов. Поэтому основная часть видеотракта, как правило, строится на базе обычных усилителей, разделительные конденсаторы которых рассчитаны на пропускание частоты кадров. Постоянная составляющая при этом теряется, что приводит к увеличению размаха видеосигнала и низкой эффективности использования активных элементов. Эта особенность иллюстрируется рисунком 10.4. Здесь показано, как меняется уровень постоянной составляющей в видеосигнале при передаче двух изображений – чёрной полосы на белом фоне и белой полосы на чёрном (рисунок 10.4а). Если убрать постоянную составляющую в этом сигнале (рисунок 10.4б), то в пределах рабочего участка характеристики АЭ (Δевх) сигнал поместится только при существенном (примерно в 1,7 раза) уменьшении его эффективного значения.
Рисунок 10.4 – Видеосигналы черной и белой полос
Соответственно уменьшится и эффективное значение выходного сигнала. С низким использованием АЭ можно мириться в маломощных предварительных ступенях; в мощной выходной ступени это недопустимо, поэтому на её входе постоянная составляющая должна быть восстановлена. Эта процедура выполняется с помощью специальных управляемых схем восстановления постоянной составляющей (ВПС).
Ограниченное число каналов в 1- 3 телевизионных диапазонах (48,5÷ 230 МГц), наиболее интенсивно используемых для телевизионного вещания, привело к необходимости использования работы в совмещённых каналах. Иначе говоря, одна и та же частота используется для вещания в разных населённых пунктах. При этом неизбежны взаимные помехи, существенно снижающие качество приёма вследствие биения частот радиостанций, работающих в совмещённых каналах. Помехи могут быть существенно ослаблены при использовании взаимного смещения несущих частот таким образом, чтобы составляющие спектра сигнала одной станции располагались в промежутках между спектральными составляющими другой. В этом случае частота биений будет наиболее высокой и соответственно менее заметной на изображении. На практике установлено, что заметность помехи резко снижается, если смещение несущих составляет ± 10,45 кГц (кратное 1/3 частоты строчной развёртки). Поддержание такого смещения с высокой степенью точности возможно лишь при очень высокой стабильности несущих частот [17].
Пиковые мощности современных передатчиков изображения и звука выбираются в соотношении 10:1. Средние мощности передатчиков при этом оказываются примерно одинаковыми, т.к. при амплитудной модуляции пиковые значения сигнала (на уровне синхроимпульсов) занимают незначительную часть периода строчной развёртки.
Качество изображения на экране телевизора во многом определяется точностью передачи формы сигнала изображения, поэтому линейные искажения сигнала в телевизионном тракте не менее существенны, чем нелинейные. Неравномерность АЧХ и нелинейность фазовой характеристики тракта сказывается на чёткости изображения (снижается крутизна фронтов перепада яркости на контурах изображаемых предметов); появляются повторы контуров в виде светлых и тёмных полос. В телевизионных передатчиках нелинейность фазовой характеристики оценивают величиной времени групповой задержки
Очевидно, что линейной фазовой характеристике будет соответствовать постоянная, не зависимо от частоты, величина Δtгр.
Нелинейные искажения приводят к нарушению передачи градаций яркости, что сказывается на контрастности изображения. Кроме того, перекрёстные искажения на частотах цветовых поднесущих приводит к смешиванию цветов на изображении. В телевизионном передатчике нелинейные искажения оценивают по характеристике мгновенных значений, которая, в отличие от амплитудной характеристики, непосредственно отражает искажения формы сигнала. Эта характеристика представляет собой зависимость мгновенных значений выходного сигнала от мгновенных значений входного. Примером такой характеристики может служить динамическая характеристика коллекторного тока АЭ iк = f(eу). В случае телевизионного тракта это зависимость евых = f(евх)
Количественно нелинейность характеристики мгновенных значений оценивают «дифференциальным коэффициентом передачи», который определяется следующим образом
Этот коэффициент определяют как отношение разности крутизны характеристики в точках, где она максимальна и минимальна, к её максимальному значению, выраженное в процентах.
В телевизионных передатчиках приходится также принимать во внимание и наличие инерционных нелинейностей, к которым относятся ёмкости р-п переходов и катушки индуктивности с ферритовыми сердечниками. В цепях, содержащих такие элементы, фазовый сдвиг зависит от положения точки входного напряжения на характеристике мгновенных значений. Его принято оценивать разностью максимального и минимального фазовых сдвигов на рабочем участке характеристики. Этот параметр получил название «дифференциальная фаза».
Параметры телевизионного тракта, о которых шла речь выше, нормируются соответствующим ГОСТом [17].
В последние годы всё чаще прибегают к совместному усилению (СУ) радиосигналов изображения и звука после формирования их в возбудителе. В этом случае отпадает необходимость в сложных разделительных фильтрах и двух самостоятельных усилительных трактах. Как следствие такого построения, повышается надёжность телевизионного передатчика, снижаются массогабаритные показатели, легче решаются проблемы полной автоматизации передатчика. Однако при этом существенно возрастают требования к линейности усилительного тракта, т.к. вследствие перекрёстных искажений, возникают взаимные помехи звукового и видео каналов. Обеспечить допустимый уровень искажений удаётся лишь за счёт снижения эффективности использования усилительного тракта. В предварительных ступенях используется усиление класса «А», а в мощных – «АВ» и существенно недонапряженный режим АЭ.
Кроме того, энергетическая эффективность передатчика существенно снижается, вследствие увеличения пикового уровня усиливаемого сигнала. Действительно, при соотношении мощностей в канале изображения и звука 1: 0,1, отношение напряжений составит 1: 0,316. Поскольку частоты каналов не совпадают, пиковые напряжения сложатся арифметически. В результате пиковое напряжение в тракте СУ вырастет в 1,316 раза, а пиковую мощность передатчика придётся увеличить в 1,73 раза, тогда как при раздельном усилении суммарная мощность передатчиков лишь на 10% больше мощности передатчика сигналов изображения. С учётом требований к линейности усиления, мощность передатчика при СУ возрастает в 2 ÷ 3 раза.
К числу достоинств передатчиков СУ следует отнести и возможность использования их для цифрового телевидения, о котором речь пойдёт ниже.
