Глава 5. Принципы построения телевизионных

                                        приёмников

5.1. Радиоканал телевизионного вещания

   Радиоканалом ТВ-вещания называют комплекс технических средств для передачи телевизионной программы на расстояние. В его состав входят передающее оборудование телецентра и радиоканал телевизионного приёмника. Упрощённая схема радиоканала приведена на рис. 5.1.

 

Рис.5.1. Радиоканал ТВ-вещания:

· РПеУ (изобр.) – радиопередающее устройство изображения;

· РПеУ (зв.) – радиопередающее устройство звукового сопровождения;

· Ант.1, Ант.2 – передающая и приёмная антенны;

· РК ТВ – радиоканал ТВ-приёмника.

 

  Сигналы изображения и звукового сопровождения на телецентре преобразуются в радиосигналы с помощью передатчиков изображения и звукового сопровождения. Эти сигналы суммируются и излучаются передающей антенной (Ант.1). Электромагнитные волны достигают приёмной антенны (Ант.2), которая преобразует их в электрические сигналы соответствующих радиочастот. Радиоканал ТВ-приёмника (РК ТВ) усиливает принятые радиосигналы и преобразует в исходные сигналы изображения и звукового сопровождения.

  Телевизионные приёмники, так же как и приёмники радиовещательных станций, строятся, как правило, по супергетеродинной схеме. Супергетеродинный приёмник отличается от других схем высокой чувствительностью и избирательностью в различных диапазонах волн (от метровых до миллиметровых). Подробнее принципы построения супергетеродинных приёмников рассматриваются в курсе «Радиоприёмные устройства».

  В телевизионных приёмниках принятые сигналы изображения и звукового сопровождения вначале предварительно усиливаются по высокой частоте, затем преобразуются в сигналы промежуточной частоты, на которой производится их селекция и основное усиление.

 

   5.2. Радиосигнал телевизионного вещания

  Сигнал ТВ-вещания состоит из сигнала изображения и сигнала звукового сопровождения. Сигнал изображения содержит спектральные составляющие от 0 до 6 МГц, сигнал звукового сопровождения – от 30 Гц до 15 кГц. Совместно с сигналами изображения передаются импульсы, необходимые для синхронизации кадровой и строчной развёрток телевизора, сигналы цветовой синхронизации и служебные сигналы.

  Для беспроводной передачи ТВ-сигнала на расстояние сигналы изображения и звука переносятся в область радиочастот – метровых, дециметровых, сантиметровых или миллиметровых волн. Радиосигнал  получается путём модуляции несущего колебания передаваемым сообщением (в данном случае – телевизионным сигналом).

   Несущее колебание – это гармоническое (синусоидальное) колебание, предназначенное для переноса сообщения по беспроводной или кабельной линии передачи. Математически оно представляется в виде

              u (t) = U_m·Cos(2πft + φ) ………………… (5.1).

Из этого выражения видно, что мгновенное значение несущего колебания u(t) полностью определяется тремя параметрами: амплитудой (U_m), частотой (f) и начальной фазой (φ). Для передачи сообщения несущее колебание подвергают модуляции (модулируют) одним или несколькими из этих параметров.

  Модуляцией называют изменение одного или нескольких параметров несущего колебания в соответствии с передаваемым сообщением.

В зависимости от того, какой параметр синусоидального колебания изменяется при модуляции, различают три её вида: амплитудная, частотная и фазовая.

При амплитудной модуляции  значение амплитуды несущей в любой момент времени t определяется значением модулирующего колебания в этот момент времени. При амплитудной модуляции частота несущего колебания не изменяется.

  При частотной или фазовой модуляции значение сообщения в любой момент времени t определяет мгновенную частоту или фазу несущего колебания. Следует отметить, что частотная модуляция приводит к изменению фазы несущего колебания. В свою очередь, фазовая модуляция приводит к изменению частоты несущей. Поэтому частотную и фазовую модуляцию часто объединяют одним понятием – угловой модуляцией .

При частотной или фазовой модуляции амплитуда несущей не изменяется.

В телевидении применяется только амплитудная и частотная модуляция.

  При амплитудной модуляции в спектре радиосигнала появляются боковые полосы частот – верхняя и нижняя. Обе полосы несут одинаковую информацию, поэтому суммарная полоса частот радиосигнала оказывается практически в два раза больше, чем ширина спектра модулирующего сигнала.

  Для ТВ-вещания выделены ограниченные полосы частот электромагнитных волн, поэтому при разработке стандартов ТВ-сигналов стремятся к уменьшению частотной полосы, занимаемой одной программой. Это делается с целью размещения большего числа программ в выделенных диапазонах частот.  

  Для передачи радиосигнала изображения в телевидении используется амплитудная модуляция. При передаче сигнала звукового сопровождения используется широкополосная частотная модуляция. Этот вид модуляции обеспечивает большую помехоустойчивость, чем амплитудная модуляция, однако ЧМ- сигнал занимает полосу частот, во много раз превышающую полосу частот модулирующего сигнала. Поэтому частотная модуляция может применяться для передачи сигналов звукового сопровождения, имеющих относительно узкую полосу 15 кГц. Для передачи видеосигнала, имеющего широкую полосу 6 МГц, используется амплитудная модуляция.

   Спектр радиосигнала изображения

   Ширина спектра амплитудно-модулированного радиосигнала в два раза больше верхней частоты спектра модулирующего сигнала. При передаче видеосигнала с верхней граничной частотой 6 МГц с помощью амплитудной модуляции радиосигнал занимал бы полосу 12 МГц. Для уменьшения этой полосы передача изображения производится с помощью однополосной модуляции. В пределе это могло бы вдвое уменьшить требуемую полосу частот, но исследования показали, что экономия полосы получается несколько меньше. На практике формируется двухполосный АМ- сигнал изображения, после чего специальным фильтром подавляется часть нижней боковой полосы. В результате получается сигнал, в котором передача низких частот модуляции происходит как бы методом обычной (двухполосной) модуляции, а передача верхних – методом однополосной модуляции. Условный спектр такого колебания приведен на рис.5.2.

         

Рис.5.2. Спектр радиосигнала изображения

 

  Составляющие спектра от значения несущей частоты f_НЕС  до верхней частоты f_В представляют собой верхнюю боковую  полосу, возникающую при амплитудной модуляции несущего колебания. Они передаются по каналу связи полностью. Составляющие спектра от нижней частоты f_Н  до значения несущей f_НЕС представляют собой остаток частично подавленной нижней боковой полосы АМ- колебания.

  Позитивная и негативная модуляция

  Для передачи изображения по радиоканалу можно применить один из видов амплитудной модуляции: позитивную или негативную. Если уровень белого (высокий уровень) передаётся с помощью больших амплитуд, а уровень чёрного (низкий уровень) – с помощью малых, то модуляцию называют позитивной. Если же уровень белого передаётся малыми амплитудами, а чёрного – большими, то модуляцию называют негативной.

в)

б)

а)

 

Рис.5.3. Позитивная (б) и негативная (в) модуляция

 

  На рис 5.3а показана условная форма сигнала изображения: до момента t₁ передаётся уровень чёрного U₁, после момента t₁ передаётся уровень белого U₂. На рис. 5.3б показана форма радиосигнала при позитивной модуляции: уровню чёрного (при t < t₁) соответствует радиосигнал меньшей амплитуды, уровню белого (при t > t₁) – сигнал большей амплитуды. На рис 5.3в показана форма радиосигнала при негативной модуляции: уровню чёрного соответствует сигнал большей, а уровню белого – меньшей амплитуды.

  Оба вида модуляции имеют свои достоинства и недостатки. Поэтому в одних стандартах телевидения используется позитивная модуляция, в других – негативная. В России принята негативная модуляция, т.е. светлым местам соответствует меньшая мощность излучения, а синхроимпульсам (уровень «чернее чёрного») – большая мощность. При таком виде амплитудной модуляции радиопередатчик работает в более экономичном режиме, обеспечивается более высокая помехоустойчивость передачи синхроимпульсов, меньше заметны на экране телевизора импульсные помехи, упрощается построение системы автоматической регулировки усиления (АРУ) в приёмнике.

 Радиоканал звукового сопровождения

   На телецентре несущая сигнала звукового сопровождения жёстко «привязывается» по частоте к несущей изображения. В российском стандарте частота несущей звукового сопровождения выше частоты несущей изображения на 6,5 МГц. Сигнал звукового сопровождения передаётся при помощи частотной модуляции (в стандарте России). Чем больше уровень звукового сигнала, тем больше отклонение мгновенной частоты несущего колебания от номинального значения. Максимальное отклонение (девиация) несущей частоты при передаче сигналов звукового сопровождения не превышает

± 50 кГц, при этом ширина спектра ЧМ- сигнала звукового сопровождения составляет не более 250 кГц.

  Несущая звукового сопровождения расположена вблизи спектра частот сигналов изображения, что позволяет использовать одну и ту же антенну для приёма сигналов изображения и звукового сопровождения, а также конструировать отдельные каскады радиоприёмного устройства телевизора

с учётом одновременного усиления двух сигналов. Мощность радиопередатчика сигналов звукового сопровождения примерно в 5 ÷ 10 раз меньше мощности радиопередатчика сигналов изображения.

  Спектр радиосигнала вещательного телевидения

  Совокупность радиосигналов изображения и звукового сопровождения одной телевизионной программы называют радиосигналом вещательного телевидения. Условный спектр радиосигнала вещательного телевидения показан на рис.5.4.

Рис.5.4. Спектр радиосигнала вещательного телевидения:

1 – несущая изображения; 2 – несущая звукового сопровождения;

3 – частично подавленная нижняя боковая полоса сигнала изображения;

4 – верхняя боковая полоса сигнала изображения;

5 – спектр сигнала звукового сопровождения.

 

  Частоты указаны в соответствии с российским ТВ- стандартом. По горизонтальной оси отложена разность между частотой f  и  несущей частотой изображения.

  Радиоканалом вещательного телевидения называют полосу радиочастот, отведённую для передачи радиосигналов одной вещательной программы. В этой полосе передаются:

· радиосигнал изображения (несущая изображения, модулированная полным цветовым сигналом);

· радиосигнал звукового сопровождения (несущая звука, модулированная сигналом звукового сопровождения).

  В России общая ширина канала ТВ - вещания составляет 8 МГц, из них 7,625 МГц отводится на передачу сигнала изображения. Спектр сигналов цветности, гасящих и синхронизирующих импульсов располагается в той же полосе частот, которая отведена для сигналов изображения. Спектр сигналов звукового сопровождения занимает полосу 0,25 МГц. Разнос несущих частот изображения и звука составляет 6,5 МГц.

 

   5.3. Частотные каналы телевизионного вещания

  Для передачи ТВ - сигнала от телецентра к приёмнику используются метровый, дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн. Сантиметровый и миллиметровый диапазоны используются для передачи сигналов спутникового телевидения.

  Длина волны и частота колебаний связаны соотношением λ = с / f,

где с = 3·10⁸ м/с – скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве. Часто пользуются простым соотношением:

               λ(м) = 300 / f(МГц) или f(МГц) = 300 / λ(м),

откуда следует, что длина волны однозначно определяет частоту колебаний и наоборот.

   Основные диапазоны волн вещательного телевидения

   Основные диапазоны волн, в которых работают ТВ - передатчики, их обозначения и область занимаемых частот приведены в табл.5.1.

                                                                                                     Таблица 5.1.

Название диапазона	Варианты обозначения	Номера ТВ- каналов	Диапазон частот,                МГц
Нижний поддиапазон МВ	VHF-L; VHF-1;      І, ІІ	1 – 5	48,5 … 100
Верхний поддиапазон МВ	VHF-H; VHF-3;     ІІІ	6 – 12	174 … 230
Диапазон ДМВ	UHF; ІV,V	21 - 60	470 … 790
Расширенный диапазон	Hiper; VHF-H;    Cabel	Кабельное   ТВ	230 … 470

 

  В области метровых волн размещаются 12 каналов вещательного телевидения: 5 каналов в нижнем поддиапазоне и 7 каналов – в верхнем. В нижнем поддиапазоне метровых волн, кроме ТВ - программ, располагаются также радиовещательные станции УКВ- диапазона (65,8 … 73 МГц) и FM- диапазона (87,5 … 108 МГц).

  В дециметровом диапазоне размещены 40 каналов вещательного телевидения (21 … 60 каналы). Весь ДМВ - диапазон делят на два поддиапазона: ІV (21 … 34 каналы) и V (35 … 60 каналы). Отдельный диапазон частот выделен для кабельного телевидения.

  В ряде стран в ДМВ - диапазоне размещается 49 каналов ТВ- вещания с номерами 21 – 69, занимающих область частот 470 …862 МГц.

ГОСТ Р52023 – 2003 разрешает использование частот до 1000 МГц. Рассматривается вопрос об использовании для телевещания частот до 1750 МГц.

  Во избежание помех от соседних каналов в пределах одной местности ТВ- вещание ведётся с пропуском соседнего канала.

  Для спутникового ТВ - вещания выделены 7 каналов в диапазоне частот

1,452 … 86,0 ГГц:  L-, S-, C-, X-, Ku-, Ka-, K- диапазоны. В России активно используется Ku- диапазон (спутники «Галс-1», «Галс-2»). Он делится на два поддиапазона: нижний (10,70 … 12,75 ГГц) и верхний (12,75 … 14,80 ГГц).

Зона уверенного приёма телевизионного сигнала

   Радиоволны УКВ-диапазона (метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые) распространяются вдоль поверхности земли в пределах прямой видимости. Поэтому для увеличения дальности приёма ТВ - программ стремятся по возможности передающие антенны ТВ - станций установить на высоких мачтах. Приёмные ТВ - антенны также стремятся поднять над поверхностью земли для обеспечения гарантированной прямой видимости между передающей и приёмной антеннами, особенно в условиях пересечённой местности или в городах с разноэтажной застройкой.

  Исследования условий распространения радиоволн показали, что они распространяются в пределах прямой видимости на сравнительно небольшие расстояния (несколько десятков километров). На расстояния, большие нескольких десятков километров, радиоволны распространяются с огибанием земной поверхности. Это явление называется рефракцией радиоволн.

  Существует несколько видов рефракции радиоволн. Возникновение каждого вида рефракции определяется несколькими факторами: температурой воздуха, давлением, влажностью, их градиентом (изменением этих величин с высотой), а также состоянием ионосферы и поверхности Земли.

При стандартной положительной рефракции, имеющей место в большинстве случаев, радиоволны огибают поверхность Земли, имеющей так называемый эквивалентный радиус R_Э = 4/3 R_З. При физическом радиусе Земли R_З ≈ 6370 км эквивалентный радиус Земли  R_ЭКВ ≈ 8500 км.

Дальность приёма телевизионного сигнала при стандартной рефракции

определяется из выражения  

                    D(км) = 4,12· ,  

где H – высота передающей антенны в метрах;

   h – высота приёмной антенны в метрах.

 

  5.4. Стандарты телевизионного вещания

  Стандартом телевизионного вещания  называют установленный международной технической организацией набор параметров, определяющих телевизионный сигнал.

  Стандарт ТВ - вещания определяется совокупностью стандарта ТВ- сигнала и системы цветного телевидения.

  Стандарт ТВ - сигнала определяет параметры сигнала без характеристик цветности: число строк в кадре, частота развёртки полей, разностная частота несущих изображения и звука, ширина полосы ТВ- сигнала, тип модуляции несущих изображения и звука и т.д. В мире действует 10 стандартов ТВ- сигнала. Стандарты сигнала обозначаются латинскими буквами: B , D , G , I , H , K , K ₁ , L , M , N .  ТВ- приёмник, рассчитанный на приём только одного стандарта, не может нормально принимать сигналы других стандартов. В настоящее время ведущие фирмы выпускают мультистандартные телевизоры, рассчитанные на приём сигналов в различных регионах мира, т.е. по разным стандартам. В России приняты стандарты D и K. Они полностью идентичны: стандарт D применяется в области МВ, а стандарт К – в области ДМВ. Более подробные данные о стандартах ТВ - сигнала имеются в справочной литературе.

Система цветности определяет способ передачи сигналов цветности.

В настоящее время используются три основных системы цветности: NTSC,

PAL и SECAM. Подробнее эти системы были рассмотрены в Гл. 3 и 4.

  Для того чтобы указать стандарт ТВ - вещания, требуется указать систему цветности и стандарт ТВ - сигнала: например, SECAM – D/K, принятый в России; NTSC – M, принятый в США;  PAL – D, принятый в Китае.

 

  5.5.Функциональная схема радиоканала вещательного ТВ - приёмника

   Радиоканал ТВ - приёмника обеспечивает следующие функции:

· настройку на выбранную программу;

· выделение полезного сигнала из смеси сигналов и помех;

· усиление сигнала;

· разделение сигналов изображения и звукового сопровождения;

· детектирование сигналов изображения и звукового сопровождения;

· выделение сигналов синхронизации;

· автоматическую регулировку усиления;

· автоматическую подстройку частоты гетеродина.

  В соответствии с выполняемыми функциями схема радиоканала ТВ-приёмника представляется на рис.5.5.  

Рис.5.5. Функциональная схема радиоканала ТВ - приёмника

СК – селектор каналов; УПЧИ – усилитель промежуточной частоты изображения; СС – селектор синхроимпульсов; ПФ – полосовой фильтр; УПЧЗ – усилитель промежуточной частоты звукового сопровождения; ЧД – частотный детектор; ПЦТВ – полный цветовой телевизионный видеосигнал;

ССИ – строчные синхроимпульсы; КСИ – кадровые синхроимпульсы;

СЗС – сигнал звукового сопровождения; АРУ – автоматическая регулировка усиления; АПЧГ – автоматическая подстройка частоты гетеродина.

 

  Сигналы промежуточных частот изображения и звукового сопровождения усиливаются в усилителе промежуточной частоты изображения (УПЧИ) и поступают на видеодетектор (ВД).

Схема, в которой сигналы промежуточных частот изображения и звукового сопровождения усиливаются в общем УПЧИ, называется одноканальной.

Видеодетектор преобразует радиосигнал промежуточной частоты в полный цветовой телевизионный видеосигнал (ПЦТВ) и одновременно преобразует радиосигнал промежуточной частоты звукового сопровождения в радиосигнал второй промежуточной частоты звукового сопровождения.

  После видеодетектора сигналы изображения и звукового сопровождения разделяются частотными фильтрами. Режекторный фильтр (РФ) настраивается на вторую промежуточную частоту сигнала звукового сопровождения и не пропускает этот сигнал в канал обработки видеосигнала. Таким образом, после режекторного фильтра выделяется полный цветовой телевизионный сигнал ПЦТВ.

  Полосовой фильтр (ПФ) также настраивается на вторую промежуточную частоту сигнала звукового сопровождения, но, в отличие от РФ, пропускает этот сигнал на вход усилителя промежуточной частоты звукового сопровождения (УПЧЗ). Видеосигнал ПЦТВ на вход УПЧЗ не проходит.

С выхода УПЧЗ напряжение второй промежуточной частоты звукового сопровождения поступает на частотный детектор (ЧД) , с выхода которого продетектированный сигнал звуковых частот – сигнал звукового сопровождения (СЗС). В дальнейшем этот сигнал усиливается в звуковом канале телевизора и воспроизводится громкоговорителем.

  Сигнал на выходе видеодетектора содержит строчные и кадровые синхроимпульсы (ССИ и КСИ), необходимые для синхронизации устройств строчной и кадровой развёрток телевизора. Эти импульсы выделяются селектором синхроимпульсов (СС). Выделение синхроимпульсов производит амплитудный селектор, который пропускает на выход только импульсы, превышающие порог ограничения. Значение порога ограничения выбирается выше уровня гасящих импульсов. Выделенные амплитудным селектором строчные и кадровые синхроимпульсы поступают далее на схему разделения импульсов синхронизации. Разделение производится по признаку длительности синхроимпульсов. Короткие ССИ выделяются дифференцирующей цепочкой, а более длительные КСИ – интегрирующей цепочкой. Далее импульсы поступают на схемы строчной и кадровой развёрток.

  В радиоканале телевизора имеются две системы автоматического регулирования: система автоматической регулировки усиления (АРУ) и система автоматической подстройки частоты гетеродина (АПЧГ).

Система АРУ поддерживает стабильный уровень выходных сигналов радиоканала при значительных изменениях уровня входного сигнала радиоканала и защищает радиоканал от перегрузок, вызываемых сигналами большой мощности. Система АПЧГ поддерживает постоянной промежуточную частоту, на которой происходит основное усиление ТВ-сигнала.

Селектор телевизионных каналов (СК)

  Сигнал от приёмной антенны поступает на вход селектора каналов (тюнера), который обеспечивает настройку приёмника на выбранный канал, усиление сигнала по высокой частоте и его преобразование на промежуточную частоту. В соответствии с этими функциями он имеет структурную схему, приведенную на рис.5.6.

Рис.5.6. Структурная схема селектора каналов

ВЦ – входная цепь; УРЧ – усилитель радиочастоты; ПФ – полосовой фильтр; СМ – смеситель; Г – гетеродин; ФПЧ – фильтр промежуточных частот.

 

  Входной сигнал U_ВХ поступает во входную цепь (ВЦ) и далее на усилитель радиочастоты (УРЧ), в нагрузку которого включён полосовой фильтр (ПФ). Эти каскады настраиваются на частоту принимаемого сигнала и осуществляют предварительную селекцию. После преселектора сигнал поступает на преобразователь частоты, состоящий из смесителя (СМ), гетеродина (Г) и фильтра промежуточных частот (ФПЧ). Преобразователь частоты переносит спектр частот сигнала изображения и звукового сопровождения выбранного ТВ-канала в область промежуточных частот изображения и звукового сопровождения. При этом значения промежуточных частот выбираются одинаковыми для всех ТВ-каналов, что требует перестройки частоты гетеродина при смене канала. Частота гетеродина выбирается выше спектра частот входного сигнала.

  Напряжение настройки U_Н совместно с управляющим напряжением системы АПЧГ подаётся на варикапы контуров ВЦ, ПФ и гетеродина (Г). Эти напряжения обеспечивают настройку на выбранный канал и поддерживают постоянство промежуточной частоты при изменении внешних дестабилизирующих факторов.

  Напряжение АРУ подаётся на УРЧ, уменьшая его коэффициент усиления при увеличении уровня входного сигнала. Это позволяет избежать перегрузки последующих каскадов телевизора.

  Рассмотрим назначение и устройство функциональных узлов селектора каналов.

  Входная цепь выполняет следующие функции:

· выделение (предварительную селекцию) полезного сигнала из смеси сигналов и помех, поступающих из антенны;

· согласование антенно-фидерного устройства с входом УРЧ на всех ТВ-каналах;

· подавление обратного излучения гетеродина через антенну.

  В состав ВЦ входят фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (ПФ) и режекторные фильтры (РФ). ФВЧ ослабляет помехи, спектр которых лежит ниже диапазона принимаемых частот. ПФ имеют полосу пропускания, примерно равную ширине спектра ТВ-сигнала, и настраиваются на выбранный частотный канал. РФ ослабляют помехи, лежащие в области промежуточных частот ТВ-приёмника.

  Телевизоры рассчитаны на подключение внешней антенны с помощью коаксиального фидера, имеющего волновое сопротивление ρ = 75 Ом. Входное сопротивление УРЧ в области принимаемых высоких частот меньше 75 Ом. Входная цепь согласует эти два сопротивления, обеспечивая режим бегущих волн в фидере и тем самым максимальную отдачу мощности принимаемого сигнала на вход УРЧ.

  Усилитель радиочастоты предназначен для усиления радиосигналов изображения и звукового сопровождения выбранной телепрограммы. УРЧ определяет чувствительность ТВ-приёмника, т.е. его способность принимать слабые сигналы. Поэтому выбираются схемы УРЧ, обеспечивающие максимальное усиление по мощности принимаемого сигнала и максимально возможное соотношение уровня принятого сигнала над уровнем шумов.

  Полосовой фильтр обеспечивает селективные (избирательные) свойства УРЧ. Одиночный контур не даёт необходимой избирательности по частоте, поэтому применяют систему связанных контуров (чаще всего двухконтурные). Настройка ПФ на среднюю частоту принимаемого канала осуществляется варикапами, на которые подаётся сумма напряжения настройки и управляющего напряжения системы АПЧГ. В диапазоне метровых волн используются колебательные контуры с сосредоточенными параметрами (индуктивностью и ёмкостью), а в диапазоне дециметровых волн – с распределёнными параметрами (отрезки длинных линий). 

  Гетеродин – это маломощный местный автогенератор, вырабатывающий непрерывные колебания высокой частоты  f_Г. Гетеродин входит в состав преобразователя частоты (ПрЧ). Частота гетеродина определяется напряжением настройки, поступающим на варикап его колебательной системы. Частота гетеродина всегда выше несущей частоты изображения радиоканала ТВ-приёмника. Это соотношение поддерживается постоянным системой АПЧГ.

   Смеситель селектора каналов входит в состав ПрЧ и служит для образования разностной (промежуточной) частоты

                                     f_ПР = f_Г – f_С

  В общем случае смеситель имеет два входа, на один из которых подаётся сигнал от УРЧ, а на другой – от гетеродина. Однако существуют схемы смесителей, на вход которых подаётся сумма этих напряжений. В результате работы смесителя в выходном токе появляются составляющие суммарной и разностной частот колебаний сигнала и гетеродина. Составляющая разностной частоты выделяется фильтром промежуточных частот (ФПЧ) селектора каналов и подаётся в тракт усиления промежуточных частот радиоканала ТВ-приёмника.

   Всеволновый селектор каналов (СК-В). Современный ТВ-приёмник обеспечивает приём сигналов вещательного телевидения в метровом и дециметровом диапазонах волн. Однако техника обработки сигналов в области метровых и дециметровых волн различается. Колебательные системы, работающие в диапазоне метровых волн, выполняются на базе элементов с сосредоточенными параметрами. В диапазоне дециметровых и более коротких волн создать колебательные системы с сосредоточенными параметрами технически невозможно. Поэтому колебательные системы в дециметровом диапазоне выполняются на базе отрезков длинных линий, имеющих распределённые по длине индуктивность и ёмкость.

  Всеволновый селектор можно создать в виде двух отдельных блоков:

СК-М (селектор каналов метровых волн) и СК-Д (селектор каналов дециметровых волн). Однако в современных телевизорах оба селектора конструктивно объединяют в один всеволновый селектор каналов (СК-В). Структурная схема такого селектора показана на рис.5.7.

Рис.5.7. Структурная схема всеволнового селектора каналов:

ВЦ МВ – входная цепь метровых волн; ВЦ ДМВ – входная цепь дециметровых волн; УРЧ МВ – усилитель радиочастоты МВ; УРЧ ДМВ – усилитель радиочастоты ДМВ; СМ – смеситель; Г МВ – гетеродин МВ; Г ДМВ – гетеродин ДМВ; СМ ДМВ – смеситель канала ДМВ; ФСС УПЧИ – фильтр сосредоточенной селекции усилителя промежуточной частоты изображения.

 

  Сигнал от всеволновой антенны поступает на входную цепь метрового (дециметрового) диапазона, далее усиливается усилителем радиочастоты метровых (дециметровых) волн и преобразуется в промежуточную частоту преобразователем частоты метрового (дециметрового) диапазона.

  После преобразователя частоты метрового диапазона сигнал на промежуточной частоте поступает непосредственно на фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) УПЧИ. При приёме сигналов дециметрового диапазона сигнал после преобразователя частоты подаётся на смеситель канала метровых волн, который в этом случае работает в режиме дополнительного каскада УПЧИ. Далее сигнал поступает на ФСС УПЧИ.

  Переключение диапазонов производится с помощью переключающих диодов (на схеме не показаны). Управляющее напряжение АРУ поступает на УРЧ обоих каналов, а управляющее напряжение АПЧГ вместе с напряжением настройки поступает на варикапы гетеродинов и преселекторы обоих каналов (на схеме не показаны).

  Усилитель промежуточной частоты изображения (УПЧИ)

   На рис5.5 показана одноканальная (последовательная) схема радиоканала ТВ-приёмника, в которой усиление сигнала изображения и звукового сопровождения происходит совместно в тракте УПЧИ. Такое построение усилительного тракта широко распространено, т.к. позволяет упростить схему приёмника и обеспечить хорошие характеристики тракта. Сигналы изображения и звукового сопровождения разделяются после видеодетектора (ВД). Основные функции УПЧИ:

· обеспечить основное усиление сигналов изображения и звукового сопровождения;

· обеспечить частотную избирательность по соседним каналам приёма.

  При уровне сигнала на входе УПЧИ порядка 1 мВ уровень сигнала на его выходе должен быть порядка 1 В. Таким образом, коэффициент усиления УПЧИ должен составлять не менее 60 дБ. Для сигнала звукового сопровождения усиление выбирают на 20 дБ меньше. Во избежание перегрузки сильным входным сигналом каскады УПЧИ охватываются цепью отрицательной обратной связи АРУ.

  Жёсткие требования предъявляются к полосе пропускания УПЧИ и к равномерности его АЧХ в области, соответствующей спектру сигнала изображения. При чрезмерно широкой полосе пропускания снижается помехозащищённость ТВ-приёмника, при слишком узкой – ухудшается изображения и искажается цветопередача, вплоть до потери цветности.

  Видеодетектор.

   Детектированием называют выделение сообщения (в данном случае видеосигнала) из модулированного радиосигнала. Так как изображение передаётся с помощью амплитудной модуляции, в качестве видеодетектора применяется амплитудный детектор. Амплитудным детектором называют устройство, выходное напряжение которого определяется амплитудой входного сигнала.

По принципу работы различают два вида амплитудных детекторов:

· детектор огибающей на нелинейных элементах;

· синхронный детектор.

  Детектор огибающей на нелинейных элементах  содержит элемент с нелинейной передаточной характеристикой (диод, транзистор). За счёт этой нелинейности изменяется форма колебаний выходного тока, и возникают спектральные составляющие напряжения модуляции. Чаще всего используют диодные детекторы.

  Детектор огибающей на нелинейных элементах имеет следующие недостатки:

· требует довольно большого сигнала на входе (порядка 1 В);

· требует ограничения глубины модуляции входного сигнала;

· требует достаточно большого отношения сигнал/шум на входе;

· детектирует без искажений только двухполосный АМ-сигнал.

  Если перечисленные условия не выполняются, то такой детектор производит детектирование с искажениями. В современных ТВ-приёмниках вместо детектора огибающей на нелинейных элементах применяют синхронный детектор.

   Синхронный детектор относится к линейным устройствам с переменными параметрами (т.е. к параметрическим). Он представляет собой электронную ключевую схему, которая замыкается на время, не превышающее половину периода несущей входного сигнала, синхронного с этим колебанием (рис.5.8).

      

Рис.5.8. Схема пассивного синхронного детектора:

ПФ – полосовой фильтр; УО – усилитель-ограничитель; К – ключ.

 

  На рис.5.9 приведены эпюры сигналов, действующих в схеме синхронного детектора: входного напряжения U_ВХ, управляющего напряжения U_УПР  и выходного тока I_ВЫХ.

в)

б)

а)

         

Рис.5.9. Эпюры сигналов в синхронном детекторе:

а – входной сигнал с амплитудной модуляцией; б – напряжение управления

ключом; в – выходной ток детектора.

 

  Схема работает следующим образом. Полосовой фильтр (ПФ) выделяет из АМ-сигнала синусоидальное несущее колебание. Усилитель-ограничитель (УО) формирует из него последовательность управляющих прямоугольных импульсов. В результате на выходе ключа получаются однополярные импульсы тока I_ВЫХ, амплитуда которых пропорциональна амплитуде входного сигнала. Фильтр нижних частот R_Н C_Н формирует напряжение U_ВЫХ, пропорциональное огибающей входного сигнала.

  В отличие от детектора огибающей на нелинейных элементах синхронный детектор не обладает свойством амплитудной избирательности, но обладает фазовой избирательностью. Если моменты замыкания/размыкания ключа не совпадают с моментами перехода через ноль входного сигнала, импульсы выходного тока становятся разнополярными и выходное напряжение уменьшается. При взаимном сдвиге фаз входного и управляющего напряжений

на 90º средняя составляющая выходного тока становится равной нулю, детектирования не происходит.

Гармонические колебания одинаковой частоты, имеющие взаимный сдвиг по фазе 90º, называются квадратурными колебаниями. Колебания в одинаковой фазе называются синфазными. Синхронный детектор обладает свойством выделять колебание, синфазное с управляющим, и подавлять квадратурное.

  Достоинства синхронного детектора:

· улучшение соотношения сигнал / шум на выходе;

· неискажённое детектирование слабых сигналов;

· неискажённое детектирование однополосного АМ-сигнала;

· детектирование сигналов изображения без перекрёстных помех со стороны сигналов звукового сопровождения.

  В ТВ-приёмниках синхронный детектор реализуется в виде части интегральной микросхемы обычно совместно с УПЧИ. В качестве полосового фильтра используется внешний колебательный контур, настраиваемый на частоту несущей изображения. Для повышения коэффициента передачи детектор строится по двухполупериодной схеме. При этом детектируются как положительные, так и отрицательные полупериоды входного сигнала. Огибающие разных знаков поступают на два входа дифференциального усилителя. Выходное напряжение дифференциального усилителя зависит от разности входных сигналов. Если учесть при этом, что на входах дифференциального усилителя действуют разнополярные сигналы, то на выходе его в конечном итоге происходит сложение огибающих.

  Кроме пассивного синхронного детектора, в котором управляющее напряжение получается путём усиления и ограничения несущего колебания, используется схема активного синхронного детектора. В этой схеме управляющее напряжение получают от автогенератора, синхронизируемого по фазе несущим колебанием входного сигнала. Электронные ключи могут быть заменены устройствами перемножения входного и управляющего сигналов.

  Второй преобразователь частоты сигнала звукового сопровождения.

  В одноканальной схеме усиления сигналов изображения и звукового сопровождения на входе видеодетектора, кроме сигналов изображения, действует ещё и сигнал звукового сопровождения. В результате биений между частотно-модулированным сигналом звукового сопровождения на поднесущей 31,5 МГц и несущей сигнала изображения 38 МГц возникает колебание разностной частоты 6,5 МГц, которое выделяется видеодетектором совместно с сигналом изображения. Эта частота называется второй промежуточной частотой сигнала звукового сопровождения. Сигнал второй промежуточной частоты имеет тот же закон частотной модуляции, что и сигнал первой промежуточной частоты 31,5 МГц.

  Таким образом, видеодетектор в одноканальной схеме одновременно с основной функцией выделения огибающей АМ-сигнала изображения выполняет ещё и вторую функцию – преобразование сигнала звукового сопровождения с первой на вторую промежуточную частоту. В Российском стандарте D/K значение второй промежуточной частоты сигнала звукового сопровождения составляет 6,5 МГц.

 

   5.6. Разделение сигналов изображения и звукового сопровождения

  Отличительной особенностью ТВ - приёмника является наличие во входном сигнале одного частотного канала двух информационных колебаний: сигналов изображения и звукового сопровождения. Эти два вида информации передаются на разных несущих частотах. Разность несущих частот изображения и звука строго постоянна в любом ТВ- стандарте. В стандартах D/K она составляет 6,5 МГц, в стандартах В/G – 5,5 МГц, в стандарте М – 4,5 МГц. Частотные спектры сигналов изображения и звукового сопровождения не перекрываются. Поэтому они могут быть разделены в приёмнике методом частотной фильтрации.

  Разработано несколько схем ТВ - радиоканалов, обеспечивающих разделение сигналов изображения и звукового сопровождения. К ним относятся:

· одноканальная (последовательная) схема;

· двухканальная (параллельная) схема;

· квазипараллельная схема;

· комбинированная схема.

  Одноканальная схема  изображена на рис.5.5. Она характеризуется следующими особенностями:

· сигналы изображения и звукового сопровождения усиливаются в общем тракте УПЧИ;

· видеодетектор является одновременно вторым преобразователем частоты сигналов звукового сопровождения, причём, в качестве опорного сигнала при частотном детектировании используется несущая изображения;

· сигналы изображения и звукового сопровождения после видеодетектора разделяются с помощью режекторного и полосового фильтров.

  Достоинством одноканальной системы является высокая стабильность значения второй промежуточной частоты, которая образуется как разность несущих частот изображения и звукового сопровождения, задаваемых на телецентре с очень высокой точностью. Следовательно, нет необходимости предъявлять высокие требования к стабильности частоты гетеродина, так как разностная частота биений является величиной постоянной (6,5 МГц) и не зависит от частоты гетеродина. Значение второй промежуточной частоты

не изменяется при неточной настройке телевизора, т.к. при этом значения частот несущих изображения и звука приобретают одинаковое отклонение, но разность этих частот, определяющих значение второй промежуточной частоты, сохраняется постоянной. Кроме того, значение второй промежуточной частоты звукового сопровождения оказывается значительно меньше, чем первой (f_ПР.ЗВ.1 = 31,5 МГц). Это повышает стабильность настройки узкополосного УПЧЗ и частотного детектора. Благодаря этим двум причинам обеспечивается высокое качество частотного детектирования сигнала звукового сопровождения и, в конечном счёте, высокое качество звука.

  За счёт схемных решений формируется специальная АЧХ УПЧИ, позволяющая избежать взаимного проникновения сигналов изображения и звука не в свои каналы.

  Двухканальная схема изображена на рис.5.10.

Рис.5.10. Двухканальная схема построения радиоканала телевизора:

УПЧЗ – усилитель промежуточной частоты звукового сопровождения;

ЧД – частотный детектор; УЗЧ – усилитель звуковой частоты;

ВД – видеодетектор; ВУС – видеоусилитель.

 

  Сигнал звукового сопровождения усиливается в УПЧЗ, настроенном на первую промежуточную частоту звукового сопровождения 31,5 МГц. После этого он детектируется частотным детектором (ЧД), поступает в усилитель звуковых частот (УЗЧ) и подаётся на громкоговоритель.

  Сигнал изображения усиливается в усилителе промежуточной частоты (УПЧЗ), настроенном на промежуточную частоту изображения 38 МГц, детектируется видеодетектором (ВД). Полученный видеосигнал усиливается видеоусилителем (ВУС) и подаётся на кинескоп.

  Эта схема имеет ряд серьёзных недостатков и сейчас практически не используется.

  Квазипараллельная и комбинированная схемы радиоканала телевизора являются модернизацией последовательной схемы, и здесь мы рассматривать их не будем.

 

  5.7. Система автоматической подстройки частоты гетеродина

                                                    (АПЧГ)

  Высокое качество изображения и звукового сопровождения может быть получено только при точной настройке и высокой стабильности частоты гетеродина. Повышение точности и стабильности настройки можно добиться лишь в результате применения системы автоматической подстройки гетеродина (АПЧГ). Принцип действия системы АПЧГ поясняется на рис.5.11.

 

б)

а)

 

Рис.5.11. Система АПЧГ:

а – структурная схема; б – АЧХ фазового дискриминатора.

  

  Система АПЧГ представляет собой систему автоматического регулирования, в которую входит фазовый дискриминатор (ФД), усилитель постоянного тока (УПТ) и управляющий элемент (УЭ), связанный с контуром

гетеродина (Г).

  Амплитудно-частотная характеристика дискриминатора представлена на рис.5.11б. Фазовый дискриминатор представляет собой частотный детектор, реагирующий на фазовые изменения промежуточной частоты. При номинальном значении промежуточной частоты сигнала изображения

(f_{ПР. ИЗ.} = 38 МГц) напряжение на выходе дискриминатора равно нулю. В этом случае управляющее напряжение, подаваемое на контур гетеродина, будет также равно нулю, и частота гетеродина изменяться не будет. При изменении по какой-либо причине промежуточной частоты на выходе фазового дискриминатора появляется сигнал ошибки, величина и знак которого зависит от величины и знака ухода промежуточной частоты от номинального значения. Это напряжение ошибки суммируется с напряжением настройки гетеродина и восстанавливает точную величину промежуточной частоты.

  В качестве управляющего элемента в современных телевизорах применяют варикапы – полупроводниковые приборы с управляемой ёмкостью р-n- перехода. В таких приборах используется ёмкость запертого p-n - перехода. При возрастании запирающего напряжения толщина перехода увеличивается, и ёмкость варикапа уменьшается. Следовательно, изменяя напряжение, подаваемое на варикап, можно изменять его ёмкость. Поскольку варикап включается в контур гетеродина, то при изменении его ёмкости будет изменяться и частота гетеродина так, чтобы значение промежуточной частоты f_ПР.ИЗ. не отличалось от номинального. При ручной регулировке частоту изменяют изменением постоянного напряжения, подаваемого на варикап с переменного резистора.

 

  5.8. Система автоматической регулировки усиления (АРУ)

   Уровень сигнала на входе ТВ - приёмника может изменяться в широких пределах в зависимости от мощности передатчика, расстояния между ТВ - передатчиком и приёмной антенной, наличия или отсутствия радиотени, качества приёмной антенны, условий распространения радиоволн и пр. Допустимые изменения уровня входного сигнала обычно принимаются в пределах от 0,2 до 50 мкВ.

  Вместе с тем для нормальной работы каналов яркости, цветности и синхронизации требуется вполне определённый уровень сигналов (порядка 1 В). Изменение уровня сигнала на выходе радиоканала не должно превышать

3 дБ. Уменьшение уровня сигнала на выходе радиоканала приводит к уменьшению контрастности изображения, потере цветности и нарушению синхронизации. Увеличение уровня сигнала приводит к чрезмерной контрастности, неустойчивой синхронизации и также к потере цветности. Это в сильной степени портит впечатление у зрителя.

  Для устранения этого необходимо поддерживать постоянным напряжение на выходе видеоусилителя телевизора независимо от изменения сигнала на входе. Добиться выполнения этого условия удаётся только при использовании автоматической регулировки усиления (АРУ).

  Система АРУ поддерживает постоянное значение уровня ПЦТС на выходе радиоканала при изменении уровня входного сигнала телевизора. Кроме того, система АРУ обеспечивает отсутствие искажений формы сигнала в радиотракте, которые могут возникнуть при перегрузке усилителей мощным сигналом.

  В современных ТВ - приёмниках применяют двухпетлевую систему АРУ, структурная схема которой показана на рис.5.12.

Рис.5.12. Структурная схема двухпетлевой АРУ.

УРЧ – усилитель радиочастоты; ПрЧ – преобразователь частоты;

УПЧИ – усилитель промежуточной частоты изображения; ВД – видеодетектор; ЭК – электронный ключ; ПД – пиковый детектор; СЗ – схема задержки.

 

  В систему АРУ входят электронный ключ, пиковый детектор и схема задержки. Остальные элементы схемы (УРЧ, ПрЧ, УПЧИ, ВД) входят в состав радиоканала. Схема работает следующим образом. На вход радиоканала поступает сигнал, который усиливается в УРЧ селектора каналов, преобразуется в промежуточную частоту, усиливается в УПЧИ и детектируется видеодетектором. Огибающая сигнала после детектирования поступает на электронный ключ, управляемый стробирующими импульсами (U_C), совпадающими по времени со строчными синхроимпульсами (ССИ).

(Стробирующим импульсом называется вспомогательный импульс напряжения, подаваемый на схему совпадения для изменения режима её работы). В результате периодического замыкания ЭК на пиковый детектор ПД поступают строчные синхроимпульсы, а на выходе ПД образуется постоянное регулирующее напряжение U_Р1, величина которого определяется уровнем ССИ (т.е. уровнем ТВ- сигнала, поступающего на вход телевизора). Напряжение регулировки U_Р1 с выхода ПД поступает на УПЧИ, благодаря чему замыкается первая петля АРУ. Эта петля образует незадержанную ключевую АРУ .  

  Одновременно напряжение с выхода ПД поступает на схему задержки СЗ. До тех пор пока напряжение U_Р1 на входе СЗ меньше некоторого уровня, называемого напряжением задержки, выходное напряжение схемы задержки U_Р2 = 0. При большом уровне входного сигнала выходное напряжение пикового детектора U_Р1 становится больше напряжения задержки, и на выходе СЗ появляется регулирующее напряжение U_Р2. Теперь замыкается вторая (задержанная) петля АРУ.   

  При слабом входном сигнале усиление УРЧ и УПЧИ устанавливается максимальным. Увеличение уровня входного сигнала приводит сначала к возрастанию регулирующего напряжения U_Р1 и снижению усиления УПЧИ. Дальнейшее увеличение уровня сигнала на входе телевизора приводит к появлению регулирующего напряжения U_Р2  и снижению усиления УРЧ. Изменение усиления радиочастотного тракта стабилизирует уровень выходного сигнала.

  Обе петли АРУ реагируют только на уровень ССИ на выходе радиоканала. При этом система АРУ не реагирует на изменение яркостной составляющей радиосигнала и на помехи, не совпадающие по времени с ССИ. Задержка регулировки усиления УРЧ селектора каналов позволяет улучшить соотношение сигнал / шум для слабых сигналов.

 

  5.9. Канал звукового сопровождения

  В канале звукового сопровождения обрабатывается сигнал, полученный после разделения сигналов изображения и звукового сопровождения.

  Рассмотрим звуковой канал при одноканальной схеме разделения сигналов, изображённой на рис.5.5. Канал звукового сопровождения выполняет следующие функции:

· выделение сигналов звукового сопровождения второй промежуточной частоты из общего ТВ – сигнала;

· усиление сигналов второй промежуточной частоты»

· амплитудное ограничение сигналов;

· частотное детектирование сигналов звуковой частоты;

· усиление сигналов звуковой частоты;

· регулировка громкости и тембра звучания;

· отключение звукового сопровождения.

  Функциональная схема канала звукового сопровождения представлена на рис.5.13.

Рис.5.13. Функциональная схема канала звукового сопровождения:

ПФ – полосовые фильтры; УПЧЗ – усилитель промежуточной частоты звукового сопровождения; АО – амплитудный ограничитель; ЧД – частотный детектор; УЗЧ – усилитель звуковых частот; 1,2,3 – входы регулировки громко-сти, тембра и отключения звукового сопровождения.

 

  Современные телевизоры, как правило, обеспечивают приём телевизионных сигналов различных стандартов. Схема, приведенная на рис.5.5, обеспечивает приём сигналов звукового сопровождения в стандартах ТВ-сигнала D/K и B/G. В случае приёма сигналов в стандартах D/K вторая промежуточная частота равна 6,5 МГц, а в стандартах B/G – 5,5 МГц.

  В первом случае сигнал второй промежуточной частоты звукового сопровождения выделяется полосовым фильтром ПФ, настроенным на частоту 6,5 МГц, во втором – полосовым фильтром, настроенным на 5,5 МГц. Полосовые фильтры либо включаются параллельно, как показано на рис.5.9, либо коммутируются в зависимости от стандарта принимаемого сигнала.

   УПЧЗ производит усиление сигналов второй промежуточной частоты звукового сопровождения. Амплитудный ограничитель ограничивает

амплитуду сигналов для неискажённого частотного детектирования. Частотный детектор выделяет сигнал звуковых частот, который затем усиливается в усилителе звуковых частот УЗЧ и поступает на громкоговоритель.

  В канале звукового сопровождения предусматриваются регулировки громкости и тембра, а также возможность отключения звукового сопровождения (режим молчания).

  Ведущие фирмы мира, производящие ТВ-аппаратуру, уделяют много внимания совершенствованию звукового канала. Вводятся устройства, обеспечивающие псевдостереозвучание, приём сигналов стереофонического звукового сопровождения и цифровых сигналов. Используются цифровые системы обработки звуковых сигналов, совершенствуется акустика телевизоров.

 

                                   Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой радиосигнал вещательного телевидения? Каковы его характеристики и спектральный состав?

2. Начертите функциональную схему супергетеродинного радиоприёмника и поясните назначение его элементов.

3. Дайте определение модуляции. Какие виды модуляции вам известны и каковы их особенности?

4. Что такое позитивная и негативная амплитудная модуляция? Их достоинства и недостатки.

5. Почему сигнал звукового сопровождения передаётся в составе полного ТВ-сигнала с использованием частотной модуляции?

6. Что такое «угловая модуляция»? Какая связь между частотной и фазовой модуляцией?

7. Напишите выражение для дальности приёма радиосигнала при стандартной рефракции радиоволн и поясните это выражение.

8. Каковы особенности построения ТВ-приёмника?

9. Что такое «стандарт телевизионного вещания»? Какие стандарты ТВ-вещания вам известны?

10.  Объясните назначение системы АПЧГ, принцип её построения и работы.

11.  Объясните назначение системы АРУ, принцип её построения и рабо-

ты.

12. Начертите функциональную схему и объясните принцип работы

  пассивного синхронного детектора. В чём преимущества синхронного

   детектора перед детектором на нелинейных элементах?

 

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: