§ 3.9. Телевидение. Развитие средств связи

Определения и обозначения

Телевидение — передача на расстояние движущихся изображений и звука с помощью электрических сигналов и электромагнитных волн. Передатчик превращает изображение и звук в сигналы, а приёмник восстанавливает их. Благодаря этому зритель может получать информацию из мест, находящихся далеко от него.

Развёртка изображения — последовательная передача отдельных строк изображения, позволяющая передать весь кадр сигналом. Кадр — одно неподвижное изображение, а быстро сменяющиеся кадры создают впечатление движения. Развёртка нужна, потому что изображение можно передать по каналу связи как последовательность данных, а не целиком одновременно.

Телевизионный сигнал содержит сведения о яркости и цвете изображения, а также синхронизирующие импульсы; при звуковом сопровождении передаётся и звуковой сигнал. Яркость и цвет описывают вид участков кадра, а импульсы задают порядок их воспроизведения. По этому сигналу приёмник собирает изображение и воспроизводит звук.

Спутник связи — искусственный спутник Земли, который принимает радиосигнал, усиливает или преобразует его и передаёт обратно на Землю. Его используют как ретранслятор: сигнал отправляется к спутнику, а затем направляется в нужный район. Это помогает организовать связь там, куда радиоволны от наземной станции напрямую не доходят.

Как это устроено

Чтобы передать изображение, его разбивают на строки и считывают участки последовательно. Для каждого участка формируют электрический сигнал, соответствующий его яркости и цвету. Такой порядок превращает пространственную картину в поток данных, который можно передать по одному каналу. Синхронизирующие импульсы отмечают начало строк и кадров, чтобы приёмник не перепутал их порядок.

Передатчик должен отправить информацию в виде радиоволн, распространяющихся от антенны. Для этого сведения изображения и звука накладывают на высокочастотные несущие колебания — выполняют модуляцию, то есть изменяют параметры несущей в соответствии с передаваемым сигналом. Высокая частота позволяет эффективно излучать сигнал антенной и выбирать отдельные каналы вещания. На приёмной стороне информацию отделяют от несущей.

Радиоволны достигают телевизионной антенны, которая преобразует часть принятой энергии в электрический сигнал. Приёмник выделяет из него нужную программу и разделяет составляющие изображения и звука. Затем он преобразует видеосигнал в изображение на экране, а звуковой сигнал — в звук динамиков. Для правильного отображения приёмник использует синхронизацию, переданную вместе с изображением.

Прямая радиосвязь на больших расстояниях ограничена радиовидимостью: поверхность Земли мешает волнам распространяться по прямой за горизонт. Ретрансляторы принимают сигнал и передают его дальше, поэтому связь может охватывать более удалённые районы. Спутник связи выполняет ту же задачу с большой высоты: принимает радиосигнал с Земли, усиливает или преобразует его и направляет обратно. Сам спутник не создаёт программу — её формирует передающая станция.

Средства связи развиваются, потому что людям требуется передавать всё больше данных с высокой скоростью. Спутниковые линии расширяют географический охват, а оптоволокно переносит информацию световыми импульсами по тонким волокнам. В цифровых сетях данные кодируют последовательностью битов — нулей и единиц, что упрощает их обработку и передачу. Способ кодирования и канал связи — разные стороны системы: цифровые данные можно передавать по разным каналам.

Средства связи и способы передачи информации

Сравнивайте строки по трём вопросам: какой физический сигнал используется, какие данные передаются и что отличает канал. Например, спутниковая связь и мобильная связь используют радиоволны, но различаются устройством сети и задачами. Оптоволокно передаёт данные светом по кабелю, поэтому его не следует путать с беспроводной радиосвязью.

Разбор задач

Длина волны телевизионного сигнала

Условие: передающая станция работает на частоте 600 МГц. Найти длину волны в воздухе, считая скорость радиоволн равной скорости света. Дано: f = 600 МГц = 600 000 000 Гц, c ≈ 3 · 10⁸ м/с. Искомая величина — λ.

1. Свяжем длину волны со скоростью и частотой: λ = c/f. Это соотношение показывает, сколько метров приходится на один период волны при её распространении. Перед подстановкой переведём частоту в герцы.

2. Подставим значения: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(6 · 10⁸ с⁻¹). Десятичные множители сокращаются, а единицы дают метры. Получаем λ = 0,5 м.

3. Проверим результат: при увеличении частоты длина волны должна уменьшаться. Частота 600 МГц высока, поэтому полученная длина в полметра согласуется с ожидаемым порядком величины. Ответ: длина волны примерно 0,5 м.

Число строк и время передачи строки

Условие: кадр содержит 625 строк, а частота передачи составляет 25 кадров в секунду. Требуется найти число строк за секунду и время одной строки. За каждый кадр нужно передать все его 625 строк. Предполагаем, что строки передаются равномерно и не учитываем дополнительные интервалы.

1. Умножим количество строк в кадре на число кадров в секунду: 625 · 25 = 15 625 строк/с. Так мы находим общий темп передачи строк, а не частоту кадров. Единица «строк в секунду» показывает, сколько строк проходит за одну секунду.

2. Время одной строки найдём как величину, обратную числу строк за секунду: t = 1/15 625 с. Вычисление даёт t = 0,000064 с. Переведём результат в микросекунды: 0,000064 с = 64 мкс.

3. Оценим порядок результата: за секунду передаются тысячи строк, поэтому время на одну строку должно быть намного меньше секунды. Ответ: 15 625 строк/с; время передачи одной строки — 64 мкс.

Скорость передачи цифрового видео

Условие: несжатое видео имеет разрешение 1920 × 1080 пикселей, частоту 25 кадров/с и глубину цвета 24 бита на пиксель. Нужно найти скорость передачи данных без учёта служебной информации. Глубина цвета показывает, сколько бит отводится на кодирование цвета одного пикселя. Сначала определим объём одного кадра, затем учтём число кадров в секунду.

1. Найдём количество пикселей в кадре: 1920 · 1080 = 2 073 600 пикселей. Умножим это число на 24 бита: один кадр занимает 49 766 400 бит. Пока это объём одного кадра, а не скорость.

2. Умножим объём кадра на частоту кадров: 49 766 400 бит/кадр · 25 кадров/с = 1 244 160 000 бит/с. Единицы «кадр» сокращаются, поэтому результат выражен в битах за секунду. Это скорость без сжатия и служебных данных.

3. Переведём в гигабиты в секунду: примерно 1,24 Гбит/с, если считать 1 Гбит = 10⁹ бит. Проверка показывает, что учтены разрешение, глубина цвета и частота кадров, а пропуск любого множителя занизил бы ответ. Ответ: около 1,24 Гбит/с.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что изображение передаётся целиком одним сигналом. При такой мысли забывают, что элементы кадра считываются и передаются последовательно, а приёмнику нужны метки порядка. Это заблуждение возникает из-за того, что зритель видит цельную картинку. Проверьте себя: можете ли вы объяснить, как приёмник определяет начало строки и кадра?

Ошибка: путать несущую частоту с частотой изменения изображения. Несущая переносит информацию радиоволной, тогда как характеристики развёртки задают порядок передачи строк и кадров. Их легко смешать, потому что обе величины описываются частотой. Проверка: спросите, относится ли величина к радиоволне или к скорости смены кадров.

Ошибка: считать спутник создателем телевизионной программы. Спутник принимает уже сформированный сигнал и ретранслирует его, а содержание готовит передающая станция. Путаница возникает потому, что спутник обеспечивает доставку программы на большое расстояние. Проверьте себя: отделяйте создание информации от её передачи по каналу.

Ошибка: забывать множители при расчёте скорости цифрового видео. Недостаточно умножить только разрешение на частоту кадров: нужно учесть число пикселей по обеим сторонам кадра и бит на пиксель. Результат проверяют по единицам: пиксели и биты на пиксель дают биты на кадр, а кадры в секунду — биты в секунду. Если итог намного меньше ожидаемого, проверьте все множители и перевод единиц.

Связь с другими темами

Для понимания телевидения нужны знания об электромагнитных волнах, связи скорости, частоты и длины волны, а также о модуляции. Формула λ = c/f позволяет находить длину волны по частоте, а идея модуляции объясняет, как информация связана с несущими колебаниями. Эти понятия продолжают тему радиосвязи и волновых процессов. Цифровая передача связывает физику с кодированием и обработкой информации и пригодится при изучении систем связи и передачи данных.

Что запомнить

• Телевидение передаёт движущееся изображение и звук на расстояние.
• Изображение передаётся последовательно, строка за строкой.
• Синхронизирующие импульсы помогают приёмнику правильно восстановить кадр.
• Радиоволна переносит сигнал от передатчика к приёмнику.
• Спутник связи ретранслирует сигнал на большие расстояния.
• Цифровая связь кодирует информацию последовательностью битов.