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, K1, 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 UВХ 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 UН 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 fГ. 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
fПР = fГ – fС
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 UВХ, управляющего напряжения UУПР и выходного тока IВЫХ.
а) б) в)
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 IВЫХ, амплитуда которых пропорциональна амплитуде входного сигнала. Фильтр нижних частот RН CН формирует напряжение UВЫХ, 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.