7.1. Общие сведения

7.2. Структурные схемы радиопередающих станций

7.3. Требования к передатчикам сигнала изображения

7.4. Особенности построения в.ч. тракта передатчиков изображения

7.4.1. Модуляция

7.4.1.1. Модуляция на "среднем" уровне

7.4.1.2. Модуляция на "низком" уровне

7.4.2. Широкополосные усилители мощности

7.5. Совместная работа передатчиков изображения и звукового сопровождения

7.6. Совместное усиление сигналов изображения и звукового сопровождения

7.7. Ретрансляторы

7.1. Общие сведения

Телевидение - наиболее совершенное средство радиовещания, при котором передаются одновременно не только звуковая, но и зрительная информация - изображение. Передача изображения осуществляется путем последовательного его разложения на сотни тысяч элементов, характеризующих освещенность каждой его части. Большое число элементов, на которое для четкого воспроизведения приходится разлагать передаваемое изображение (сфокусированное на светочувствительный фотоприемник), приводит к большому числу передаваемых в секунду электрических сигналов. Это является причиной появления в спектре видеосигнала весьма высоких частот: согласно принятому в России стандарту вещательного телевидения кадр изображения содержит 625 строк и состоит из двух полей (полукадров) с чересстрочным чередованием. Номинальная частота кадров - 25, а частота полей - 50 в секунду. При этом частота строк f_стр=25×625=15625Гц при допустимой нестабильности ±0,016Гц. При 625 строках по вертикали может быть изображено 625 элементов. С учетом формата кадра 4/3 (отношение размеров по горизонтали и вертикали) число элементов изображения вдоль строки составит N_эл=(4/3)×625. Так как длительность одной строки t_стр=1/f_стр=64мкс, то длительность одного передаваемого элемента сигнала t_эл=t_стр/N_эл, поэтому максимальная частота сигнала изображения f_вmax=0,5/t_эл»6,5МГц (множитель 0,5 учитывает чередование черных и белых элементов (точек)). В связи с этим для телевизионного вещания используют ультракороткие волны - метровые и дециметровые: I диапазон -частоты 48,5 ¸ 66 Мгц (1 и 2 радиоканалы), II диапазон - 76 ¸ 100 Мгц (3…5 радиоканалы), III диапазон - 174 ¸ 230Мгц (6…12 радиоканалы) - метровые волны, а также IV диапазон - частоты 470 ¸ 582 Мгц (21…34 радиоканалы) и V диапазон - 582¸790Мгц ( 35…60 радиоканалы ) - дециметровые волны.

Радиосигнал на выходе передатчика изображения является сложным (рис.7.1), так как кроме видеосигнала - информации о передаваемом объекте - он содержит и вспомогательные сигналы. Одновременно с сигналами изображения передаются бланкирующие импульсы, гасящие обратный ход луча по кадрам и строкам, чтобы электронный луч приемной трубки не прочерчивал на экране линий. На бланкирующих импульсах, как на пьедесталах, расположены строчные и кадровые импульсы, предназначенные для синхронизирующие синхронизации цепей развертки

Рис.7.1

телевизионного приемника. Как видно из рис.7.1, сигнал изображения находится между бланкирующими импульсами.

На рис.7.1 приведены значения длительностей телевизионного сигнала t, видеосигнала (t_в » 0,82t), а также бланкирующих и синхронизирующих импульсов (t_б » 0,19t и t_с » 0,4t_б). Если принять максимальную высоту телевизионного сигнала (U_си) за 100%, то относительный уровень бланкирующих импульсов составит 75%. Синхронизирующие импульсы, выступая над бланкирующими импульсами, занимают уровень от 75% до 100%. Уровень видеосигнала колеблется между уровнем 70-72%, который соответствует уровню "черного", и уровнем 10-12,5%, который соответствует уровню "белого". Перепады уровней от белого до черного очень резкие, они могут происходить за время Dt=0,08-0,1мсек, которое соответствует передаче одного элемента изображения по строке.

Уровень "черного" практически является границей раздела между синхронизирующими импульсами и видеосигналом и служит отправной точкой для их разделения в приемном устройстве. Кроме того, он позволяет решить вопрос о правильном воспроизведении яркости телевизионного изображения.

Телевизионный сигнал - униполярный, его мгновенные значения расположены по одну сторону от уровня "белого". Синхроимпульсы также униполярны. Этим объясняется наличие в телевизионном сигнале постоянной составляющей, величина которой определяется средней освещенностью передаваемого объекта. При передаче движущегося изображения общий характер освещенности передаваемых объектов, т.е. постоянная составляющая сигнала, изменяется. В качестве примера на рис.7.2 показаны изображения и видеосигналы черной полосы на белом фоне и белой полосы на черном фоне. Из рисунка видно, что средние значения этих сигналов существенно различаются. Изменения постоянной составляющей - очень медленные, они характеризуются частотами от 0 до 2…5Гц. При принятом в настоящее время чересстрочном разложении низшая частота сигнала при передаче неподвижного изображения практически

Рис.7.2

есть частота полей (полукадров), т.е. 50Гц. Относительная амплитуда колебаний с частотами между 2…5Гц и 50Гц (в том числе и с частотой кадров 25Гц) в телесигнале малы. Итак, полный спектр видеосигнала составляет (0…6,5×10⁶)Гц. Необходимость передачи столь широкой полосы частот с минимальными искажениями как по амплитуде, так и по фазе, сопряжено с большими трудностями, этим обусловлены основные отличия передатчиков изображения от радиовещательных передатчиков.

В состав радиопередающей станции (РПС) телевизионного вещания входят радиопередатчики сигналов изображения и сигналов звукового сопровождения. В передатчиках изображения используется амплитудная модуляция (АМ) полным телевизионным сигналом. Это позволяет существенно сузить спектр излучаемых колебаний по сравнению со спектром колебаний, модулированных по частоте (ЧМ).

На рис.7.3 изображена общая АЧХ РПС цветного телевидения. Для сужения излучаемого спектра нижняя боковая полоса частично (ниже 0,75МГц относительно несущей) подавляется. В связи с этим при модулирующих видеочастотах выше 0,75МГц радиосигнал - однополосный, т.е., как было показано в 5.1, здесь амплитудной модуляции сопутствует фазовая модуляция. В отличие от однополосных передатчиков, предназначенных для радиовещания и связи, в телевизионных передатчиках, предъявляются жесткие требования не только к амплитудно-частотной, но и к фазо-частотной характеристике.

Рис.7.3

При цветном телевизионном вещании по принятой в нашей стране системе (совместимой с черно-белым телевидением) сигнал изображения складывается из так называемых сигнала яркости, совпадающего с рассмотренным выше собственно сигналом изображения, и сигналов цветности, несущих информацию о цветовых тонах передаваемого объекта и их насыщенности. Информация о цвете передается путем частотной модуляции на двух поднесущих: 4,40625МГц (красная строка) и 4,25МГц (синяя строка), т.е. спектры этих сигналов размещаются в верхней части спектра видеосигнала - рис.7.3. Эти сигналы накладываются на сигнал яркости.

В передатчике звукового сопровождения используется ЧМ. Полоса модулирующих частот - (30 - 15000)Гц, девиация частоты Df=50кГц, ширина спектра радиосигнала передатчика звукового сопровождения составляет 0,25МГц, разнос несущих частот передатчиков изображения и звука, f_из и f_зв, равен 6,5МГц , таким образом полоса, занимаемая телевизионной станцией, составляет 8МГц (рис.7.3). Применение ЧМ, обладающей по сравнению с АМ намного большими помехоустойчивостью и эффективностью, позволяет снизить мощность передатчика звукового сопровождения в 10 раз по сравнению с мощностью передатчика изображения. Передатчик звукового сопровождения по своим параметрам и принципам построения, схемам и режимам работы мало отличается от УКВ ЧМ вещательных передатчиков.

7.2. Структурные схемы радиопередающих станций

Телевизионная радиопередающая станция представляет собой совокупность оборудования, обеспечивающего передачу изображения и звукового сопровождения. В состав телевизионной РПС входят передатчик изображения (телевизионный передатчик), передатчик звукового сопровождения, антенно-фидерное устройство и комплекс контрольно-измерительной аппаратуры. Передатчики изображения и звукового сопровождения работают на общее антенно-фидерное устройство.

Для повышения надежности РПС отечественные телевизионные передатчики выполняются в двух одинаковых в схемном и конструктивном отношениях полукомплектах, выходные мощности которых складываются в мостовых устройствах. При аварии в одном из полукомплектов выходная мощность снижается в 4 раза, но затем исправный полукомплект подключают к нагрузке в обход моста, при этом выходная мощность оказывается только вдвое меньше номинальной. Следует отметить, что коммутация высокочастотных трактов в устройствах большой мощности является сложной технической проблемой. Кроме того, при аварии в одном из полукомплектов передатчика изображения требуется снизить вдвое и мощность передатчика звукового сопровождения, например, отключив один из его полукомплектов.

Более рациональным является построение РПС по схеме, где в состав каждого полукомплекта входят тракты усиления мощности каналов изображенияи звукового сопровождения, выходные сигналы которых объединяются с помощью разделительных фильтров, а затем происходит сложение мощностей. Каждый полукомплект имеет блоки автономного питания, общие для усилителей мощности каналов изображения и звука. При аварии все оборудование полукомплекта отключается полностью. Эта схема позволяет получить некоторый выигрыш в габаритах и в надежности - за счет сокращения числа коммутаций (в 2 и более раза).

Во всех телевизионных РПС возбудители каналов изображения и звука и их предварительные усилители обеспечиваются 100%-ым ненагруженным резервированием.

7.3. Требования к передатчикам сигнала изображения

Поскольку среднее значение амплитуды телевизионного радиосигнала за период модулирующей частоты непостоянно, понятие о режиме несущей частоты здесь не имеет смысла. По этой причине мощность телевизионного передатчика характеризуют его пиковой мощностью, по отношению к которой оценивают все уровни передаваемого сигнала. Номинальная мощность телевизионного передатчика изображения определяется мощностью, соответствующей передаче уровня "черного". Приняты следующие градации мощности этих передатчиков: 1¸5, 10, 20¸25, 50кВт; маломощные и ретрансляторы: 1¸3, 10, 100¸200Вт. Мощности передатчиков звукового сопровождения - в 10 раз меньше. Выходная мощность телевизионной РПС указывается в виде дроби, например, Р_из/Р_зв= 5/0,5кВт, 20/2кВт, 5/5кВт, и т.д.

Как упоминалось выше, несущая частота изображения f_из и верхняя боковая полоса частот (f_из+6МГц) передаются полностью, на частоте 6,375МГц верхняя боковая полоса должна быть ослаблена не менее чем на 20дБ. Нижние боковые частоты до (f_из - 0,75Мгц) передаются без искажения. На частотах, отстоящих от несущей на -1,25МГц, нижняя боковая полоса должна быть ослаблена не менее чем на 20дБ. Таким образом, полоса сигнала изображения составляет 7,625МГц. Допускаемая неравномерность АЧХ: +0,5¸(1…3)дБ относительно нулевого значения на частоте +1,5МГц относительно частоты несущей. Спад на граничных частотах -0,75 и +6МГц относительно частоты несущей - не более -4дБ.

Нестабильность несущей частоты канала изображения должна быть не хуже ±100Гц.

Нелинейность амплитудной характеристики U_вых(U_вх) в черно-белом телевидении приводит к нарушению градаций яркости, а в цветном - к нарушению правильности цветопередачи. Количественно нелинейные искажения оценивают дифференциальным коэффициентом передачи ( усиления) К_d = 1-(dU_вых/dU_вх)/(dU_вых/dU_вх)_max, который не должен превышать 10-12%.

Искажения цветопередачи вызывает также паразитная фазовая модуляция, следствием которой является зависимость фазовых сдвигов Dj от уровня яркостного сигнала U в области частот цветовых поднесущих. Количественно эти искажения оценивают дифференциальным фазовым сдвигом j_d = Dj(U) - Dj_max. Для хорошей цветопередачи необходимо, чтобы j_d £ 10⁰.

В передатчиках изображения из-за недостаточной фильтрации выпрямленных напряжений, питания цепей накала переменным током, наводок и т.п. возникают помехи от фона переменного тока в виде медленно перемещающихся по кадру широких горизонтальных темных и светлых полос, которые очень заметны, поэтому в передатчиках изображения уровень паразитной модуляции фоном не должен превышать -46дБ.

К надежности и стабильности параметров передатчиков телевизионного вещания предъявляются весьма высокие требования: наработка на отказ - не менее 1000ч для передатчиков без резервирования и не менее 2000ч для передатчиков с резервированием при времени восстановления работоспособности не более 2-4ч.

7.4. Особенности построения в.ч. тракта передатчиков изображения

7.4.1. Модуляция

7.4.1.1. Модуляция на "среднем" уровне

В отечественных мощных ламповых передатчиках изображения ранних выпусков используют сеточную модуляцию смещением, которую производят на "среднем" уровне, т.е. в одном из промежуточных каскадов высокочастотного тракта (в ламповом каскаде мощностью от 100 до 500Вт), с последующим усилением мощности в УМК. При осуществлении сеточной модуляции смещением на «высоком» уровне, т.е. в выходном каскаде передатчика, энергетические показатели модулируемого каскада не лучше, чем при модуляции на «среднем» уровне и УМК. Основное преимущество модуляции на «высоком» уровне заключается в том, что качество передачи изображения здесь определяется характеристиками модуляционного устройства и только одного каскада высокочастотного тракта, благодаря чему повышается стабильность качественных показателей передатчика и упрощается его регулировка. Однако при этом существенно усложняется широкополосное модуляционное устройство, которое получается многокаскадным и его регулировка затрудняется. Потребление мощности таким модуляционное устройством может составить до 10% от общей мощности, потребляемой передатчиком.

Рис.7.4

Анодную или анодно-экранную модуляцию в оконечном каскаде с трансформаторным двухтактным модулятором осуществить невозможно из-за чересчур широкой полосы модулирующих частот. Недостатками сеточной модуляции являются низкие значения КПД модулируемых каскадов в режиме модуляции и телевизионного передатчика в целом.

Так как телевизионный сигнал - униполярный, то в передатчике возможны два варианта модуляции - негативная и позитивная. При позитивной модуляции максимальная мощность соответствует уровню передачи уровня "белого". В этом случае уровень синхроимпульсов является минимальным уровнем модулированных колебаний (рис.7.5б). В отечественных телевизионных передатчиках используется негативная модуляция, при этом:

• передатчик излучает в среднем существенно меньшую мощность, так как в телевещании преобладают светлые кадры, поэтому огибающая АМ-сигнала "прижимается" к временной оси (рис.7.5а);
• наибольшие значения потребляемой и рассеиваемой на электродах ламп мощностей кратковременны, что позволяет лучше использовать лампы;
• при негативной модуляции передача синхроимпульсов в области верхних криволинейных участков модуляционной характеристики генераторной лампы (рис.7.7) не вызывает искажений видеосигнала, что позволяет осуществлять более глубокую модуляцию;

Рис.7.5

• импульсные помехи чаще проявляются в виде темных точек и визуально менее заметны;
• повышается помехоустойчивость системы синхронизации из-за того, что при передаче сигнала синхронизации передатчик излучает максимальную (пиковую) мощность;
• облегчается построение системы АРУ приемника, так как в качестве опорного сигнала АРУ используется сигнал синхронизации разверток приемника, а он не зависит от содержания изображения. Поскольку при негативной модуляции опорный сигнал имеет место в пиковом режиме, для его выделения могут быть использованы простые устройства.

Негативная модуляция требует сохранения строгой полярности видеосигнала на входе и на выходе модуляционного устройства: на входе его полярность должна быть положительной, на выходе - отрицательной. По этой причине число каскадов в модуляционном устройстве должно быть нечетным. Как правило, применяют три или пять каскадов.

В предварительных каскадах модуляционного устройства, построенных по схеме широкополосного усилителя и работающих в режиме колебаний класса А, телевизионный сигнал усиливается до уровня, необходимого для осуществления модуляции. Эти каскады не пропускают постоянной составляющей, которая "теряется" при прохождении телевизионного сигнала через первый же межкаскадный разделительный конденсатор. Это приводит к тому, что положение видеосигнала на модуляционной характеристике генератора меняется (рис.7.2 и 7.6, 1' и 2'). При больших изменениях уровня часть сигнала будет ограничена верхним или нижним загибами модуляционной характеристики. Первое вызовет уменьшение синхроимпульсов на выходе передатчика, что приведет к ухудшению синхронизации в приемнике. Второе - к уменьшению количества градаций яркости на изображении - срезанию "белого". Так как пределы изменения видеосигнала могут достигать почти двойного значения от величины полного размаха телевизионного сигнала, то необходимо иметь линейный участок модуляционной характеристики, также равный примерно удвоенному значению размаха сигнала.

Рис.7.6

Однако при этом модулируемый каскад и передатчик в целом будут использованы по мощности гораздо хуже, чем если бы положение сигнала было неизменным. Можно показать, что во избежание искажений пришлось бы уменьшить размах сигнала между уровнем "белого" и вершинами синхроимпульсов приблизительно в 1,7 раза, что привело бы к уменьшению мощности боковых полос приблизительно в три раза и ухудшению условий приема. В связи с этим в передатчиках производится восстановление постоянной составляющей (ВПС). В сигнале с постоянной составляющей уровни синхроимпульса, белого и черного фиксированы (рис.7.6, 1 и 2), что позволяет более полно использовать мощность электронных приборов, а для передачи сигнала изображения между уровнями черного и белого - линейный участок модуляционной характеристики. В телевизионном сигнале, содержащем постоянную составляющую, независимо от его формы (которая определяется характером передаваемого изображения) четко определены уровни синхронизирующих и гасящих импульсов, следующих в конце каждой строки, что и позволяет восстановить утерянную постоянную составляющую. Для этого необходимо приводить вершины синхронизирующих или гасящих импульсов к одному и тому же неизменному уровню. Этот процесс называют привязкой, или фиксацией уровня. В принципе привязка возможна по любому уровню, однако фиксировать пиковый уровень невыгодно, так как в отсутствие модулирующего сигнала передатчик будет излучать пиковую мощность. Привязка по уровню "белого" неудобна, поскольку этот уровень при передаче реального изображения изменяется. Обычно привязка производится по уровню гасящих импульсов, так как постоянство уровня "черного", а следовательно и величина синхроимульсов, автоматически поддерживаются неизменными при передаче любого сигнала. Неизменная величина синхроимпульсов улучшает работу системы АРУ приемника и повышает устойчивость синхронизации. В отсутствие сигнала на входе модулятора телевизионный передатчик излучает мощность, соответствующую передаче сплошного черного поля. ВПС производится либо на сетке лампы модулятора, либо в предшествующем ему усилительном каскаде.

Рис.7.7

Схемы восстановления постоянной составляющей телевизионного сигнала

Для того, чтобы восстановить в телевизионном сигнале утраченную постоянную составляющую, необходимо и достаточно приводить потенциал сетки лампы усилителя к одной и той же требуемой величине в моменты передачи одного из строго определенных уровней в строчном сигнале. Для этого на сетку лампы в указанные моменты подают соответствующее смещение, которое затем "запоминается" на весь период передачи строки.

В телевизионных передатчиках используются управляемые схемы фиксации. К ним относятся схемы с двумя диодами, с двумя триодами, а также нашедшая широкое применение схема с четырьмя диодами.

В схеме ВПС с двумя диодами, изображенной на рис.7.8а, телевизионный сигнал подается на сетку лампы Л₁ через разделительный конденсатор С_р. Уровень гасящих импульсов на сетке лампы Л₁ с помощью диодов Д₁ и Д₂ периодически (после каждой строки) приводится к потенциалу Е_g. Для этого в момент прихода каждого гасящего импульса (вслед за приходом синхронизирующего импульса) на сетку лампы Л₂ поступает специальный управляющий импульс, который обычно формируется на малом уровне мультивибратором, запускаемым синхроимпульсами телевизионного сигнала. Возникающие на аноде и на катоде Л₂ импульсы противоположной полярности отпирают одновременно оба диода. В результате появления проводимости диодов потенциал сетки лампы Л₁ мгновенно становится равным потенциалу Е_g, приложенному к сетке через диоды. В течение последующей строки диоды остаются запертыми, но средний потенциал сетки Л₁, определяемый зарядом емкости С_р, практически не успевает измениться. В результате уровень гасящих импульсов сохраняется постоянным.

а)

б)

Рис.7.8

В схеме с четырьмя диодами, изображенной на рис.7.8б, диоды включены в плечи моста, который здесь является сопротивлением утечки сетки усилительной лампы Л. Напряжение смещения Е_g выбирают так, чтобы при любых возможных в процессе передачи телевизионного сигнала напряжениях на сетке лампы Л все диоды были заперты. В моменты передачи задних площадок гасящих импульсов в диагональ моста (в точки 2 и 3) одновременно подаются сформированные в специальной схеме усилителя-формирователя управляющие импульсы длительностью 2-3мксек: положительный U₁ - на аноды диодов Д₂ и Д₄ и отрицательный U₂ - на катоды диодов Д₁ и Д₃. Эти импульсы открывают диоды, при этом конденсаторы С₁ и С₂ подзаряжаются практически до полного размаха управляющих импульсов. Под действием этих импульсов диоды Д₁ -Д₄ отпираются и на сетке лампы Л устанавливается напряжение, при котором токи всех диодов становятся равными нулю, и заряд (или разряд) разделительного конденсатора С_р прекращается. Это напряжение называется "равновесным" Е_равн. Очевидно, равновесие в схеме устанавливается тогда, когда Е_равн=е₁ = е₄ =Е_g. Напряжение Е_равн не зависит от сигнала, приложенного к входу усилительного каскада, оно определяется постоянным напряжением Е_g и, следовательно, является величиной фиксированной, его значение должно соответствовать режиму работы лампы Л при передаче уровня черного. По окончании действия управляющих импульсов диоды одно-временно запираются напряжениями на конденсаторах С₁ и С₂ (С₁ и С₂>>С_р), и постоянное напряжение на разделительном конденсаторе С_р остается неизменным до следующего момента фиксации. Если из-за изменения средней яркости изображения, переданного предыдущей строкой, напряжение на сетке лампы в момент фиксации оказывается больше или меньше Е_g, происходит заряд или разряд конденсатора С_р. Полный перезаряд С_р должен быть закончен за время длительности управляющего импульса. Заряд происходит по цепи: Д₂-R последовательно с Д₃, зашунтированные R_имп0, где R_имп0 - эквивалентное выходное сопротивление оконечного каскада одного из усилителей управляющих импульсов, разряд - по цепи Д₁- R последовательно с Д₄, зашунтированные R_имп0. Постоянная времени цепи фиксации:

t » С_р(R_пр0 + R_iд+ R_имп0) ,

где R_пр0 - эквивалентное выходное сопротивление предыдущего каскада модуляционного устройства, а R_iд - внутреннее сопротивление диода. Для того, чтобы постоянная времени t была мала по сравнению с временем фиксации, емкость разделительного конденсатора С_р должна быть небольшой, внутреннее сопротивление диодов R_iд - малым, а оконечные каскады усилителей управляющих импульсов - достаточно мощными, если осуществляется фиксация при значительных уровнях телевизионного сигнала.

Следует отметить, что в процессе ВПС в излучаемом сигнале эффективно снижается уровень искажений в области нижних частот, а также паразитная модуляция низкочастотными шумами тракта, в том числе фоном источников питания.

7.4.1.2. Модуляция на "низком" уровне

На УКВ при сеточной модуляции смещением наряду со значительной нелинейностью амплитудной характеристики возникает паразитная фазовая модуляция, которая вызывает искажения, особенно заметные при передаче цветного телевизионного сигнала. При мощности более 100Вт эти искажения на УКВ скорректировать невозможно, поэтому в настоящее время в отечественных и зарубежных передатчиках используют модуляцию на "низком" уровне (в каскадах мощностью менее 1 Вт), например, в диодных балансных модуляторах, которые обеспечивают хорошую линейность, стабильность и низкий уровень паразитной фазовой модуляции. Наиболее перспективной является модуляция не на основной, а на промежуточной частоте, при этом кроме амплитудной модуляции производится также формирование АЧХ и необходимые коррекции в уже сформированном радиосигнале. Далее этот сигнал переносится на частоту нужного канала и усиливается усилителем мощности (рис.7.9).

Рис.7.9

Применение модуляции на промежуточной частоте имеет ряд преимуществ:

•  все каскады трактов видео- и промежуточной частоты, включая каскады, где производится модуляция, формирование АЧХ и предкоррекция искажений, унифицированы, т.е. выполняются одинаковыми для всех передатчиков независимо от уровня их выходной мощности и от номера канала;
• существенно улучшаются качественные показатели изображения поскольку модуляция, формирование АЧХ и предкоррекция искажений осуществляются на малом уровне и на постоянной частоте; и др.

В отечественных передатчиках изображения используются промежуточные частоты f_пч1= 35,75МГц и f_пч2= 32,75МГц - в зависимости от того, в каком диапазоне работает передатчик. Значение промежуточной частоты f_пч выбирается из следующих соображений. Во-первых, промежуточная частота должна превышать наивысшую модулирующую частоту не менее чем в 2 раза, так как после балансного модулятора выделяется нижняя боковая полоса, но с другой стороны она не должна быть слишком высокой, чтобы не усложнять тракт ее передачи. Во-вторых, промежуточная частота и наиболее существенные продукты процесса ее модуляции в балансном модуляторе не должны находиться в частотных диапазонах, отведенных для телевещания. Комбинационные составляющие ± nf_гет ± mf_пчиз, где m и n - целые числа 0,1,2 и т.д., не должны попадать в полосы частот, занятых телевизионными каналами. Частота высокостабильного опорного генератора f_гет=5МГц.

7.4.2. Широкополосные усилители мощности

В соответствии с требованиями к АЧХ радиотракта каскады УМК должны усиливать колебания в полосе частот П»8Мгц с неравномерностью АЧХ не более +0,5-(1-3)дВ. В широкополосных УМК используются транзисторы, тетроды и многорезонаторные пролетные клистроны.

Транзисторы используют в предварительных каскадах УМК, рассчитанных на мощности от 10 до 200Вт. Полностью на транзисторах построены высокочастотные тракты телевизионных передатчиков мощностью до 1кВт, предназначенных для работы в I и II диапазонах (48…100МГц), а также в III диапазоне (170…230МГц), где транзисторные УМК обеспечивают требуемую широкополосность при незначительных фазовых искажениях.

Широкополосные каскады УМК на тетродах представляют собой резонансные усилители мощности с контурами в выходной и входной цепях. Требования широкополосности оказывают большое влияние на режим Работы ламп УМК и его энергетические показатели. Значение эквивалентного сопротивления R_э нагрузки ламп УМК определяется начальной ем-костью колебательного контура и допустимой неравномерностью АЧХ в заданной полосе. При этом следует иметь в виду, что в телевизионном передатчике настройка несимметрична, поэтому эквивалентное сопротивление для несущей частоты изображения - комплексное, равное ú Z_эú. Обычно его величина оказывается меньше значений требуемого R_эопт, при которых лампа может быть полностью использована по мощности при номинальном анодном напряжении. Поэтому анодное напряжение понижают до величины, при которой обеспечивается режим, близкий к критическому при реальном значении сопротивления úZú_э. Но из-за пониженного анодного напряжения величина коэффициента использования x оказывается невысокой - 0,5…0,7, поэтому КПД анодной цепи широкополосных УМК низок – обычно h_max не превосходит 50-55% при передаче синхроимпульсов. При передаче сигналов изображения, амплитуды которых изменяются от уровня "черного" (0,72U_си) до уровня "белого" (0,15U_си) режим ламп УМК оказывается сильно недонапряженным, и КПД анодной цепи ламп УМК, работающих с углом отсечки 90⁰, изменяется линейно в пределах (0.75…0,15). Средний КПД анодной цепи УМК обычно равен 20…25%. Промышленный КПД телевизионных передатчиков при передаче "черного" поля достигает лишь 15…17%. В широкополосных УМК используют тетроды с высокой крутизной, имеющие значительный запас по току эмиссии и потому способные эффективно работать при пониженных значениях R_э. В передатчиках I-III диапазонов в УМК на тетродах обычно применяется схема с ОК, обеспечивающая устойчивое усиление по мощности в 10…25 раз, причем здесь иногда применяют мостовую сеточную нейтрализацию.

В передатчиках IV-V диапазонов в УМК используют многорезонаторные пролетные клистроны, которые по качественным и экономическим показателям не уступают УМК на тетродах и тем более - на транзисторах.

Одной из самых важных проблем является формирование АЧХ радиотракта. Излучение передатчика должно быть жестко ограничено в области как верхних, так и нижних частот канала. Таким образом, в передатчике требуется сформировать и поддерживать неизменной строго определенную результирующую АЧХ, близкую к стандартной. Для верхних частот эта задача частично решается использованием разделительных (или антенных) фильтров, обеспечивающих совместную работу передатчиков изображения и звукового сопровождения на общий антенный фидер (п.7.2), а также за счет модуляционного устройства. Так, в оконечных каскадах отечественных передатчиков изображения метровых волн с модуляцией на "среднем" уровне в ряде случаев в качестве анодной нагрузки используют двухконтурные колебательные системы со связью больше критической. Для достижения "прямоугольности" АЧХ радиотракта, т.е. высокой крутизны скатов АЧХ, колебательная система дополняется двумя дополнительными резонансными цепями - режекторными шлейф-резонаторами, составленными из отрезков неоднородных линий, которые резко уменьшают коэффициент передачи на определенных частотах, лежащих за границами полосы пропускания. Например, f₁, находящейся между частотами (f_н-1,375МГц) и (f_н-1,5МГц), и f₂, расположенной между (f_н+6,375МГц) и (f_н+6,5МГц). Эквивалентная схема и АЧХ такой колебательной системы показаны на рис.7.10а и рис.7.10б, где цепи L₃C₃ и L₄C₄ на рис.7.10а настроены соответственно на частоты f₁ и f₂. Использование этой колебательной системы позволяет получить требуемую АЧХ телевизионного передатчика независимо от числа предварительных каскадов УМК и от формы их АЧХ.

а) б)

Рис.7.10

В УМК, построенных на тетродах (или на клистронах), формирующие АЧХ передатчика фильтрующие устройства, подобные описанному выше, включают и внутри тракта, в частности, между его предоконечным и оконечным каскадами.

При модуляции на промежуточной частоте формирование АЧХ производится на малом уровне мощности в одном из каскадов УПЧ, следующих за модулируемым каскадом. При сравнительно низкой промежуточной частоте применяют фильтры на сосредоточенных L - и C - элементах, которые малогабаритны, легко настраиваются и позволяют выполнить фильтр практически любой сложности и обеспечить требуемую форму АЧХ радиотракта.

7.5. Совместная работа передатчиков изображения и звукового сопровождения

Как указывалось выше, радиопередатчики сигналов изображения и звукового сопровождения, входящие в состав РПС, работают на одну общую антенно-фидерную систему, что сопряжено с большими техническими трудностями, поскольку у этих передатчиков разные несущие частоты - f_из и f_зв, различные виды модуляции - АМ и ЧМ, и разные мощности - Р_из/Р_зв @10. Необходимо суммировать выходные сигналы обоих передатчиков с минимальными потерями мощности и обеспечить независимость их работы (взаимную развязку). Обычные мосты сложения здесь использованы быть не могут из-за больших потерь мощности, превышающих 50%, и сильной взаимной связи между передатчиками. Поэтому передатчики сигналов изображения и звука подключают к общему фидеру через специальный разделительный фильтр, который представляет собой комбинацию мостовых устройств сложения мощности с дополнительными частотно-избирательными цепями. Этот фильтр обеспечивает взаимную развязку передатчиков сигналов изображения и звука порядка 35…40дБ, при этом потери мощности передатчика звуковых сигналов не превышает 10%, а передатчика сигналов изображения - от 3 до 5%.

При совместной работе передатчиков изображения и звука нестабильность несущих частот изображения f_из и звука f_з должна быть не хуже ±500Гц. Разнос между несущими частотами f_из - f_з = 0,5МГц должен соблюдаться с точностью ±(100-200)Гц. Это обеспечивается благодаря использованию общего высокостабильного опорного генератора, из которого несущие частоты f_из и f_з формируют с использованием техники синтезаторов.

7.6. Совместное усиление сигналов изображения и звукового сопровождения

Усиление сигналов изображения и звукового сопровождения в общем тракте усиления мощности существенно упрощает структуру телевизионной РПС, повышает надежность и др. Однако, при этом возникает ряд трудностей. Во-первых, между каналами изображения и звука являются переходные помехи, что существенно повышает требования к линейности общего тракта УМ РПС, которые здесь гораздо более жесткие чем в передатчиках изображения. Они близки к требованиям к УМ однополосного сигнала. При раздельном усилении сигналов изображения и звука влияние нелинейности в верхней части модуляционной характеристики на качественные показатели невелико, т.к. эта ее часть отводится для передачи только синхроимпульсов (рис.7.7). При совместном усилении сигналов изображения и звука такая нелинейность вызывает в канале звука помехи от синхроимпульсов кадровой и строчной развертки. По существующим нормам уровень шума, фона и помех в канале звука не должен превышать -46дБ. Помимо высокой линейности амплитудной характеристики паразитная фазовая модуляция должна быть менее 5⁰ на всем интервале изменений входного сигнала. Для обеспечения столь высоких требований транзисторы и лампы, используемые в УМ, должны работать в заведомо недонапряженном режиме, т.е. их существенно недоиспользуют по мощности. Во-вторых, усиление в общем тракте УМ сигналов с разными частотами и разными видами модуляции приводит к снижению энергетических показателей передатчика. Последнее иллюстрируют рис.7.11а и 7.11б. При соотношении мощностей передатчиков изображения и звука, Р_из и Р_зв, = (для простоты Р_из принята равной 1) отношение амплитуд токов и напряжений составит =1/0,316 (рис.7.11а). Эти сигналы образуют биения, амплитуда которых изменяется в пределах от 1- 0,316=0,684 до 1+0,316 =1,316 (рис.7.11б). При этом тракт усиления должен быть рассчитан на пиковую мощность Р_пик = (1,316)²Р_из=1,73Р_из, тогда как суммарная мощность передатчиков изображения и звука составляет всего 1,1Р_из. Такое увеличение мощности УМК весьма невыгодно.

Для уменьшения амплитуды суммарных колебаний используют так называемую квадратурную модуляцию несущей изображения разностной частотой W_зв [4]. Как видно из рис.7.11в и 7.11г, при передаче черно-белого изображения в спектр усиливаемого сигнала добавляют составляющую В' c частотой f_зв=f_из-6,5МГц, симметричную частоте звукового сопровождения f_зв=f_из+6,5МГц относительно частоты несущей изображения f_из, но сдвинyтую по фазе 180⁰. Из векторной диаграммы рис.7.11г видно, что здесь наряду с фазовой модуляцией возникает и амплитудная модуляция результирующего сигнала. Его амплитуда определяется формулой:

Е =,

где k=B'/B. При k=1 (В=В') наибольшая амплитуда биений Е_max==1,18 (рис.7.11д), и необходимая пиковая мощность передатчика P_max равна Р_пик= (1,18)²Р_из= 1,39Р_из, что на 28% больше, чем при раздельном усилении.

Рис.7.11

При передаче цветного изображения в спектр усиливаемых сигналов вводят составляющие, аналогичные сигналам цветности (рис.7.3), симметричные относительно частоты несущей изображения f_из, но сдвинутые по фазе на 180⁰.

Недостатком квадратурной модуляции является необходимость расширения полосы пропускания тракта УМ, которая должна быть увеличена до 13МГц. Кроме того, необходимо обеспечить эффективное подавление излучения квадратурных составляющих. Для поглощения колебаний этих составляющих может быть использован узкополосный фильтр, "отсасывающий" их в балластный резистор из анодного контура оконечного каскада УМ.

При использовании квадратурной модуляции в передатчиках с совместным усилением сигналов изображения и звука снижаются необходимая пиковая мощность передатчика, потребляемая им электроэнергия и потери на электродах лампы, при этом требования к линейности усилителя не повышаются.

7.7. Ретрансляторы

Для обеспечения телевещанием населенных пунктов, расположенных вне зоны обслуживания мощных телецентров, используют ретрансляторы. В настоящее время используют ретрансляторы с переносом спектра изображения. Ретранслятор содержит антенну и чувствительное приемное устройство.

а)

б)

Рис.7.12

Частоту принятых слабых сигналов дальнего телецентра в ретрансляторе преобразуют в частоту другого канала телевещания, усиливают мощность этого преобразованного сигнала до требуемой величины (до 100Вт) и направляют его в передающую антенну (рис.7.12а). В ретрансляторе с двойным преобразованием частоты (рис.7.12б) спектр принятого радиосигнала вещательного телевидения переносится смесителем См₁ на промежуточную частоту f_пч,, на которой производится основное усиление радиосигнала и его коррекция. Затем этот сигнал смеситель См₂ преобразует в выходной сигнал рабочей частоты, который усиливается усилителем мощности УМ и поступает в передающую антенну. Ретрансляторы выполняют полностью на полупроводниковых приборах, они имеют дистанционное управление, рассчитаны на эксплуатацию без обслуживающего персонала и обладают высокой надежностью.