| 6.4.3. Televizní vysílání a příjem | |
O televizní technice bylo napsáno mnoho knih. U nás snad nejznámější je ”Televizní technika” autora ing. Vladimíra Víta (SNTL-ALFA Praha 1979), která má téměř tisíc stran. V našem stručném přehledu mohu tedy uvést opět jen principy, které považuji za vědomosti potřebné pro fyzikáře na gymnáziu.
Přenos ”pohyblivého” obrazu na dálku je založen na stejném principu jako kinematografie, tedy na rychlém promítání jednotlivých obrázků, které se jen málo liší, za sebou. Fyziologickou vlastností lidského oka, která umožňuje kinematografii, je setrvačnost zrakového vjemu, tj. schopnost lidského oka ”pamatovat” si po dobu 30-100 ms obraz na sítnici. Při kinoprojekci se promítá 24 obrázků za sekundu tak, že každý obrázek je prosvětlen dvakrát, lidské oko tedy vnímá 48 vjemů za sekundu, na jeden zrakový vjem tedy připadá cca 21 ms. Při tomto kmitočtu střídání zrakových vjemů oko prakticky nezpozoruje změny v intenzitě světla způsobené střídáním světla a tmy (kdybychom intenzitu světla měřili objektivně, např. fotonásobičem, dostali bychom prakticky obdélníkový průběh, po dobu řádově 10 milisekund by plátno nebylo vůbec osvětleno).
Na druhé straně má promítání filmového pásu před přenosem obrazu na dálku jednu velkou výhodu - celý obrázek se na plátno promítá najednou. To nelze při přenosu na dálku zabezpečit - museli bychom informaci o jasu, případně barvě každého obrazového bodu přenášet zvláštním informačním kanálem. Při přenosu na dálku máme, podobně jako u rozhlasového přenosu, k dispozici jeden přenosový kanál, který je ekvivalentní jednomu páru vodičů. Musíme proto informaci o jasu každého obrazového bodu vysílat sériově. V témže okamžiku lze do přenosového kanálu ještě ”vtěsnat” ještě i informaci o barvě obrazového bodu (viz uvedená literatura), informaci o jednotlivých obrazových bodech však musíme vysílat za sebou. Je zřejmé, že čím více obrazových bodů bude třeba na přenos jednoho obrázku, tím větší šířku pásma bude signál obrazové informace (zkráceně obrazový signál) zabírat. Základní informací pro rozhodnutí, na kolik ”obrazových bodů” obrázek rozložit, je rozlišovací schopnost lidského oka a běžná vzdálenost pozorování obrazu na obrazovce. Teoreticky by bylo možné rozložit obraz na obrazové body libovolným způsobem, například azimutálním jako u radaru, ale pro televizi byl zvolen rozklad maticového typu, tedy na řádky, které obsahují jednotlivé obrazové body. Základním číslem bylo tedy stanovení počtu řádek, na které se budoucí obraz na obrazovce bude rozkládat - bylo to číslo 625. Je třeba hned říci, že k tomu, abychom se přiblížili rozlišení obrazu na kinematografickém plátně, potřebovali bychom minimálně dvojnásobný počet řádek. (V současné době se konají intenzívní pokusy s tzv. HDTV, televizním systémem s vysokým rozlišením, který má mít, alespoň podle evropského návrhu, 1250 řádek). Vzájemný poměr stran televizního stínítka byl stanoven na šířka:výška=4:3 (v současné době jsou moderní televizory ”wide” s poměrem stran 16:9). Aby bylo rozlišení ve vodorovném směru stejné jako ve svislém směru, bylo třeba stanovit počet obrazových bodů na řádek 4/3.625=832. Frekvence výměny obrázků byla stanovena na 50 Hz původně z důvodu synchronizace se síťovým kmitočtem; dnes jsou ale již obě frekvence od sebe odděleny. Z uvedených čísel je již možné spočítat šířku pásma obrazového signálu. Za předpokladu, že 1 perioda obrazového signálu tvoří 2 obrazové body (v minimu signálu je obrazový bod světlý, v maximu tmavý) bude za jednu sekundu potřeba 416 period na jeden řádek, 625 řádků na jeden obrázek a obrázků je 50 za sekundu. Vynásobením těchto tří čísel dostáváme hodnotu cca 13.106 s-1, tedy maximální frekvence takto tvořeného obrazového signálu (a tedy také šířka pásma) by byla 13 MHz. Takováto šířka pásma by kladla příliš velké nároky na šířku přenosového kanálu a byla proto snížena na polovinu zavedením tzv. prokládaného řádkování. Při prokládaném řádkování se kreslí obrázek nejprve z lichých řádků (říká se mu půlsnímek, protože obsahuje informaci jen o polovině obrázku s danou rozlišovací schopností), pak se elektronový paprsek obrazovky vrátí na začátek obrazovky a kreslí druhou polovinu obrázku, tedy sudé řádky, a to přesně do mezery mezi lichými řádky. Při návratu zespoda na vršek obrazovky je elektronový paprsek zatemněn, a podobně při kreslení jednotlivých řádků se elektronový paprsek zatemňuje, běží-li zprava nalevo (řádky se kreslí zleva doprava). Signál potřebný pro zatemňování zpětných běhů při kreslení řádků a půlsnímků musíme ovšem do obrazového signálu dodat; nazývá se zatemňovací směs. Zavedením prokládaného řádkování snížíme šířku pásma obrazového signálu na polovinu, tj. na 6,5 MHz.
Rozklad obrazu na jednotlivé řádky v televizní kameře a jeho opětovné nakreslení na televizní obrazovce musí probíhat naprosto synchronně, jinak by obraz na přijímači nebyl stabilní (možná jste již zažili televizní obraz rozpadnutý na pruhy, nebo beznadějně putující po obrazovce nahoru nebo dolů; to první je špatná synchronizace řádků, to druhé půlsnímků). Proto je nutné společně s obrazovou informací vysílat ještě časovou informaci o začátku každého řádku a o začátku každého půlsnímku. To se děje pomocí synchronizačních impulsů řádek a synchronizačních impulsů půlsnímků, které se rovněž začlení do obrazového signálu (časově do dob, kdy se elektronový paprsek zatemňuje a amplitudově do rozsahu, který je na obrazovce vnímán jako černá barva, takže obrázku na obrazovce nevadí). Komplexu synchronizačních řádkových a půlsnímkových impulsů se říká synchronizační směs. Obrazový signál opatřený zatemňovací a synchronizační směsí nazýváme úplným (černobílým) televizním signálem.
obr. 6.13.
Úplný televizní signál namodulujeme amplitudově na nosnou vlnu a přeneseme k anténě přijímače. Spektrum přenášeného signálu vidíme na obrázku 6.13. Amplitudová modulace vytvoří dvě postranní pásma, spodní a horní, celkově by tedy přenos jednoho televizního programu zabíral 13 MHz. Pro zúžení tohoto frekvenčního pásma se přenos provádí s částečně potlačeným jedním postranním pásmem tak, že celková šířka jednoho kanálu je 8 MHz. Zvukový doprovod zabírá v tomto pásmu jen zcela zanedbatelnou šířku, a to přesto, že je přenášen frekvenční modulací. Nosný kmitočet zvuku má odstup 6,5 MHz od nosného kmitočtu obrazu (je vyšší). Šířku kanálu a odstup nosné zvuku od nosné obrazu předepisuje televizní norma. Popsané uspořádání je tzv. norma OIRT (západoevropská, u nás na těch vysílačích, které vysílají v barevném systému PAL). Kromě ní existuje ještě norma CCIR (východoevropská, u nás jen na vysílačích, které ještě vysílají v barevném systému SECAM), u které je kanál užší (7 MHz) a odstup nosné zvuku od nosné obrazu 5,5 MHz. Pro příjem v našich podmínkách je proto třeba tzv. vícenormový televizor, který automaticky normu vysílání rozliší a přizpůsobí se jí.
Televizní přijímač je velmi podobný rozhlasovému až po demodulátor. Jediný rozdíl je v tom, že zvukový a obrazový signál se demodulují odděleně. Mezifrekvenční kmitočet obrazu je v normě OIRT 38 MHz, z čehož plyne, že mezifrekvenční kmitočet zvuku je 31,5 MHz (kmitočty se odečítají od kmitočtu oscilátoru, takže vyšší nosný kmitočet zvuku znamená nižší mezifrekvenční kmitočet). Zesílení v mezifrekvenčním zesilovači je v řádu 5000. Nejmenší signál z antény, který je přijímač schopen zpracovat (zašuměný, ale zasynchronizovaný obraz) je cca 50m V, tj. cca o řád vyšší, než u rozhlasového příjmu. Demodulovaný obrazový signál obsahuje synchronizační směs, kterou je třeba oddělit od obrazového signálu a použít k synchronizaci generátorů řádkového a snímkového rozkladu. Obrazový signál po svém dalším zesílení v obrazovém zesilovači na amplitudu řádově 100 V slouží k jasové modulaci elektronového paprsku obrazovky (připojuje se mezi katodu obrazovky a tzv. Wehneltův válec, který u obrazovky nahrazuje řídicí mřížku). Synchronizované výstupy z generátorů řádkového a snímkového rozkladu se přivádějí na dva páry (horizontální a vertikální) vychylovacích cívek, které způsobují magneticky vychylování elektronového paprsku. Běžný vychylovací úhel je v současné době 120° u černobílých obrazovek a 90° u barevných obrazovek. Kromě signálových obvodů potřebuje každý přístroj a tedy i televizní přijímač napájecí obvody. Ty zajišťují mimo jiné rovněž napájení obrazovky včetně urychlujícího napětí pro elektronový paprsek na energii potřebnou k tomu, aby se luminofor na vnitřní straně stínítka při dopadu paprsku rozsvítil (toto napětí se nemoduluje obrazovým signálem, prostě jen urychluje ty elektrony, kterým Wehneltův válec ”dovolí” proletět). Kromě žhavení a urychlujícího napětí, které je v řádu 10kV, potřebuje obrazovka několik napětí na tzv. fokusační elektrody. Napětí na těchto elektrodách vytváří elektrické pole vhodného tvaru, který fokusuje elektronový svazek vycházející z katody (po jeho intenzitní modulaci obrazovým signálem). Zvukový signál se po demodulaci (zpravidla poměrovým detektorem) zesiluje v audio zesilovači podobně jako v rozhlasovém přijímači. Stejným způsobem jako v rozhlasovém přijímači se zajišťuje automatické vyrovnávání citlivosti, AVC, pouze řídicí signál se odvozuje od amplitudy obrazového signálu po jeho demodulaci. Účinnost AVC je pozoruhodná, při změně vstupního napětí do mezifrekvenčního zesilovače o 60 dB (o tři řády), mění se výstupní napětí obrazového zesilovače jen o 3 dB (faktor 1,4).
Barevný televizní příjem patří již mimo rámec těchto skript a proto případné zájemkyně (zájemce) odkazuji na speciální literaturu, např. uvedenou knihu ing. Víta.
