Телевидение - История появления телевидения

В статье дан обзор основных тенденций совершенствования радиопередающих устройств для традиционных систем эфирной доставки сигналов вещания. Основное внимание уделено выбору элементной базы для усилителей мощности передатчиков, представлены новые транзисторы и ЭВП (электронные вакуумные приборы или мощные лампы), а также рассмотрены некоторые другие актуальные вопросы.

Традиционным эфирным средствам доставки ТВ и радиовещательных программ в настоящее время приходится конкурировать с проводным и непосредственным спутниковым вещанием (аналоговым и цифровым), кабельным и беспроводным кабельным телевидением, известным как микроволновая многоканальная распределительная система MMDS. Тем не менее, эфирная система доставки вещательных программ в диапазонах ОВЧ и УВЧ останется в нашей стране наиболее доступной, разветвленной и привлекательной, по крайней мере, в обозримом будущем. Залогом этого являются десятки миллионов эфирных телевизоров и радиоприемников, которые уже имеет население страны.

Несколько иная ситуация складывается в развитых странах Запада. В Германии в настоящее время действуют 9000 передатчиков. Однако крупный специалист фирмы Philips Semiconductors Ф. Лампе считает, что, несмотря на это по некоторым данным в 2010 году только 1,6% домовладельцев будут зависеть от традиционных наземных (terrestrial), в нашем понимании эфирных, систем доставки программ. К этому времени подавляющее большинство населения уже будет пользоваться услугами кабельного ТВ, включая системы доставки по оптоволоконным и беспроводным MMDS системам, а также приемниками непосредственного спутникового вещания. В то же время Ф. Лампе уверен, что в России наземное телевидение будет доминировать, по крайней мере, еще 20-30 лет.

Выполненный нами (АО МАРТ ) анализ позволил выявить основные направления развития радиопередающих устройств, производимых предприятиями России для эфирного телевидения и стереозвукового вещания.

Прежде всего следует сказать о широком внедрении фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), ключевых ВИП (Вторичный Источник Электропитания), микроконтроллеров и других современных приборов.

Следует ожидать максимально возможное применение транзисторов и освоение новой элементной базы, включая транзисторы класса LD MOSD.

Сохранится тенденция строить мощные передатчики на новых ЭВП (на сверхлинейных тетродах с использованием технологии пиролитического графита, клистродах или приборах IOT, диакродах).

Предстоит - и это ближайшая и весьма актуальная задача - активно освоить конструктив Евростандарта.

Нам представляется целесообразным коротко прокомментировать перечисленные актуальные направления, которые станут основой нашей деятельности. Уже всем очевидно, что применение для формирования АЧХ фильтров на ПАВ - одна из самых насущных задач. В пользу таких фильтров говорит многое. Их широкое внедрение позволит резко сократить объем работ, например, по настройке цепей формирования АЧХ и характеристики ГВЗ (Групповое Время Запаздывания). Практики все знают насколько весом и такой аргумент: удается существенно повысить прецизионность и стабильность параметров. Ну, а в данном случае, резкое сокращение размеров устройства формирования - вечная цель любого разработчика.

Применение ключевых ВИП (с частотой коммутации 50 кГц) позволяет повысить КПД схем питания транзисторных каскадов, реализовать многие функции защиты вплоть до возможности работы потребителя в режиме короткого замыкания. В транзисторных передатчиках фирмы МАРТ хорошо зарекомендовала себя так называемая схема распределенного питания, при которой каждая базовая балансная транзисторная ячейка усилителя имеет свой ВИП, что повышает надежность схемы.

Безусловно, мощные выпрямители (5-10 кВ) также следует строить на принципах ключевых ВИП, что приведет к резкому сокращению расхода цветных металлов. Заслуживает внимания и возможность значительного снижения массы и размеров, в том числе, высоковольтных ВИП.

В споре: транзистор или электронная лампа (ЭВП), конечно же, в конце концов, победит транзистор, однако, этот момент еще не наступил. Более того, в небогатых странах, среди них, увы, и Россия, спор этот явно затянется. Сейчас нет принципиальных ограничений для построения передатчиков мощностью до 60 кВт полностью на транзисторах. В связи с этим хочу напомнить, что в России пока действует нормативное ограничение передатчиков по уровню мощности: в телевещании, например, разрешены передатчики мощностью до 50 кВт в диапазоне ОВЧ и до 25 кВт в диапазоне УВЧ. Поэтому все мощные передатчики в России могли бы быть твердотельными, но они гораздо дороже ламповых. Это обстоятельство определенно влияет на рыночную ситуацию в России и сопредельных странах.

Интересно заметить, что соотношение цен для передатчиков малой мощности противоположно: твердотельные обычно заметно дешевле ламповых. Объясняется это просто. В твердотельных передатчиках нет необходимости, а потому просто отсутствуют системы защиты персонала от высокого напряжения, да и сама низковольтная аппаратура, конечно, дешевле аналогичной по уровню мощности высоковольтной.

Сравнивая ламповые и твердотельные передатчики по мощности, следует помнить, что вещательная аппаратура всегда нуждается в резерве. Твердотельной аппаратуре свойственен так называемый живой резерв . Модульный принцип построения допускает ее работу практически без снижения мощности при отказе одного из модулей. Допустим, что в передатчике использовано N модулей, мощности которых складываются по мостовой схеме, т.е. с взаимной развязкой. Известно, что в этом случае при отключении или отказе M модулей мощность передатчика снижается (при условии, что переключение работоспособных модулей в обход устройства сложения не производится) до уровня:

Pотк = P0 (1 - M/N)2.

Например, передатчик построен на 12 модулях (необязательно конструктивно законченных), каждый из которых может работать независимо. При отказе одного модуля мощность передатчика снижается на 16%, что лежит в пределах обычных технологических запасов передатчика. При этом напряженность поля в точке приема уменьшается всего лишь на 8%, что абсолютно незаметно.

Для ламповой аппаратуры используются другие схемы резервирования. Резервирование с помощью второго передатчика относится к часто используемым приемам, при этом резерв может быть ненагруженным или, напротив, нагруженным. Экономически выгоднее использовать резервный передатчик с выходной мощностью меньшей, чем у основного передатчика, хотя это не всегда допустимо. В отечественной практике наилучшим образом зарекомендовало себя другое решение, связанное с применением схемы сложения мощностей двух единиц половинной мощности (полукомплектов). Надо сказать, что при отказе полукомплекта сигнал в точке приема снижается всего на 3 дБ.

Говоря о твердотельных (транзисторных) передатчиках, необходимо подчеркнуть, что оптимальным для них прибором является транзистор класса MOS-FET. Полевые транзисторы превосходят биполярные, по крайней мере, по коэффициентам усиления и линейности. Так, биполярный транзистор фирмы Philips BLV37 мощностью 250 Вт обеспечивает коэффициент усиления 10,5 дБ на частоте 108 МГц, в то время, как полевой транзистор BLF278 мощностью 300 Вт обеспечивает усиление 20 дБ на той же частоте 108 Мгц. Ограничения по применению полевых транзисторов в диапазоне УВЧ (470 - 860 МГц) сняты с изобретением транзисторов класса LD MOSD (первая буква аббревиатуры L - Lateral означает боковое распределение n-p-n-зон транзистора в отличие от VD MOSD транзисторов с вертикальным чередованием зон). Конструкция нового транзистора не требует включения внутренних цепей согласования, реакция по входу - емкостная. К сожалению, отечественная промышленность не производит полевых транзисторов.

Мы уже отметили, что мощные передатчики экономически выгоднее строить на лампах. Сегодня можно с уверенностью утверждать, что для УВЧ ТВ передатчиков мощностью до 10 кВт с воздушным охлаждением оптимальным выходным прибором является тетрод. Применение в этих лампах сеток из пиролитического графита позволило решить многие проблемы и, в первую очередь, по сроку жизни ламп. Так, лампы TH 382 фирмы Thomson имеют в условиях эксплуатации наработку до 15 тыс. часов. Достаточно большая свобода при проектировании катодно-сеточного узла позволяет решить и проблему линейности амплитудной характеристики (требуемый уровень интермодуляционных искажений - ИМИ - может быть обеспечен в ряде случаев без коррекции). Иначе говоря, передатчики на этих лампах пригодны для совместного усиления радиосигналов изображения и звукового сопровождения с мощностью до 5 кВт в одном блоке или до 10 кВт при применении схемы сложения мощностей.

Если ориентироваться на схемы раздельного усиления радиосигналов изображения и звукового сопровождения, то в настоящее время реально построение передатчиков с воздушным охлаждением мощностью до 20 кВт на тетродах ТН 382. При применении модернизированных отечественных тетродов ГС 44Б можно строить передатчики с раздельным усилением, соответственно, мощностью 5 кВт в одном блоке или 10 кВт при сложении мощностей. Сравнение различных ЭВП с воздушным охлаждением для диапазона УВЧ

Показатель       Клистрон           Клистрод           Тетрод Диакрод

Максимальная

мощность, кВт 15           40           11.5       20

Анодное (коллекторное)

напряжение, кВт           20-30     20-30     3-5.5      5-7

Высокопотенциальные

блоки питания                есть       есть       нет        нет

ИМИ, дБ             не нормируется             40-50     49-51

при 5 кВт            52

при 10 кВт

FOM, %               60           120-130                120-130                120-130

Для передатчиков большей мощности наиболее привлекательными являются клистроды (или приборы IOT), либо диакроды. Можно однозначно утверждать, что эра клистронов в мощных ТВ передатчиках прошла. Это утверждение наглядно иллюстрирует таблица. Единственное действительное преимущество клистрона - высокий коэффициент усиления. Но оно фактически утрачено с появлением мощных УВЧ транзисторов. В строке FOM (Figure of Merit) таблицы приведены отношения ВЧ мощности в режиме передачи вершины синхроимпульса в канале изображения и средней мощности в канале звукового сопровождения к потребляемой мощности в режиме передачи среднестатистического ТВ сигнала (сигнала серого поля). Следует отметить, что известны методы повышения КПД клистронов (это не учтено в таблице), в частности, применение режимов BCC (Beam Current Control) и ESC (Energy Safe Collector). Однако при этом чрезвычайно возрастает сложность схемы питания, ее стоимость и стоимость самого клистрона. Все это позволяет отнести эти приемы к нерациональным.

Клистроды впервые предложила английская фирма EEV, выпустив их под названием IOT (Inductive Output Tube или лампа c индуктивным выходным взаимодействием). В клистроде удачно объединены процессы управления плотностью электронного пучка в пространстве катод-сетка и в пролетном промежутке или, иными словами, достоинства тетрода и клистрона. В итоге, новый ЭВП имеет очень высокие параметры по КПД и линейности, обеспечивает съем большой мощности с одной лампы и достаточно высокое усиление не менее 20 дБ.

Диакрод - по сути, тот же коаксиальный тетрод несколько улучшенной конструкции. В частности, удалось избавиться от торцевой внутриламповой емкости, и с помощью дополнительной внешней контурной системы создать второй узел колебательного анодного напряжения, фактически дублирующий выходную контурную систему. Это обеспечивает максимально равномерное колебательное напряжение на участке экранной сетки и существенно снижает нагрузку экранной сетки реактивной мощностью.

Применение в мощных передатчиках клистродов или диакродов вместо клистронов позволяет, помимо прочего, сократить потребление электроэнергии не менее, чем на 30%.

Внедрение конструктива Евростандарт-19 позволило, наряду с улучшенным современным дизайном, предложить потребителю и большой выбор модификаций аппаратуры. Так, три базовых блока - возбудитель (В), занимающий половину стандартного блока (19’’- 4U); усилитель мощности 200 Вт (У-200), в котором предусмотрена возможность независимой работы двух усилителей по 100 Вт; и усилитель мощности 600 Вт (У-600) - позволяют скомпоновать, по крайней мере, двенадцать модификаций ТВ УВЧ передатчиков мощностью от 100 до 2 000 Вт с различными вариантами резервирования. Сами передатчики предлагаются в блочном до 500 Вт или стоечном до 2 000 Вт исполнениях.

Освоение для ЧМ вещания диапазона 87,5-108 МГц не стало для нас новой проблемой, так как около тридцати лет назад уже были созданы отечественные передатчики с модуляцией пилот-тон , поставляемые на экспорт. Современные передатчики отличаются максимальным насыщением транзисторами, малыми размерами и высоким КПД (выше 50%). Передатчики АО МАРТ до уровня мощности 2 кВт построены полностью на транзисторах, причем по ряду соображений - на транзисторах BLV 25 фирмы Philips (мощность 175 Вт, усиление 10 дБ). В базовой усилительной ячейке, как и в телевидении, применяется балансная схема на двух транзисторах. Ламповые передатчики мощностью 4 кВт строятся на тетродах ГС 44Б (две лампы образуют широкополосную балансную ячейку), а более мощные (15-20 кВт) - на тетроде ГУ 92Б, который, в отличие от ТВ режима, очень неплохо показал себя в ЧМ передатчиках.

Кстати, хотелось бы заметить, что предпринятый в свое время демарш Минсвязи по закупке у фирмы Rohde & Schwarz ЧМ передатчиков 10 кВт привел к двум неприятным последствиям. Во-первых, отечественная промышленность лишилась возможности освоить этот класс передатчиков, хотя было все необходимое для этого. Во-вторых, радиоцентры столкнулись с неприятной проблемой закупки западных ламп, которые при высокой цене имели не столь уж высокую надежность. К этому добавились и таможенные мытарства. В конечном итоге, петербургской фирме МГП Лорант пришлось переделывать эти импортные передатчики с так, чтобы в дальнейшем использовать удачные отечественные тетроды ГУ 36Б.

Принятые в отечественных передатчиках мощностью до 4 кВт технические решения (синтезаторный возбудитель и широкополосный усилитель мощности) позволяют реализовать весьма эффективную схему резервирования N +1.

Звуковое сопровождение телевещания на двух языках или стереозвуковое не нуждаются в обосновании актуальности. Однако, по непонятным причинам, в стране до сих пор не выбрана система двуязычного стереозвукового сопровождения.

Наиболее распространенными в мире являются две системы. В одной из них - IRT - используется дополнительная несущая (аналоговая ЧМ). Эта система предложена Институтом техники вещания (IRT) и Электронной промышленностью ФРГ. Вторая система - NICAM - ориентируется на дополнительный цифровой канал с квазимгновенным уплотнением. Система разработана в рамках программы BBC/IBA (Великобритания).

Если соотнести эти системы с передатчиками, то каких-либо принципиальных вопросов по внедрению любой из них не возникает, главное здесь - системные вопросы и наполнение рынка соответствующими приемниками или приставками. Тем не менее, мы считаем наиболее привлекательной систему NICAM. Однако хочу сделать одно замечание. Для исключения возможности поражения соседнего (верхнего) ТВ радиоканала несущей цифрового звука, если это имеет принципиальное значение, целесообразно разместить ее ниже основной несущей звукового сопровождения.

Пользуясь случаем, мы еще раз обращаемся к головным институтам по телевидению и радиовещанию с просьбой ускорить решение вопроса выбора системы, что особенно актуально при сегодняшней ситуации в СНГ.

Мы постарались коротко осветить современное состояние техники радиопередающих устройств для ТВ и ЧМ радиовещания, опираясь на опыт создания последних версий передатчиков в АО МАРТ . В настоящее время по вполне понятным причинам почти не поступает заказов на мощные ТВ (5 кВт и более) и ЧМ (более 4 кВт) передатчики. При этом не следует забывать, что сотни мощных передатчиков в сетях государственного вещания России и СНГ безнадежно устарели и давно требуют замены. С приданием Федеральной целевой комплексной программе создания технических средств связи, Телевидения и Радиовещания статуса Президентской, в ближайшее время, на наш взгляд, следует ожидать возрастания спроса на мощные передатчики.