Телевидение?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Л. — Чудесно! А чем же вызвано это ограничение?

Н. — Желанием уменьшить то, что ты когда-то называл «теснотой в эфире». Каждая радиопередача занимает на шкале частот, кроме несущей частоты, две боковые симметричные полосы, содержащие все модуляционные частоты (рис. 2). Когда они ограничены частотой 4 500 гц, общая ширина, занятая двумя боковыми полосами, будет, следовательно, 9 000 гц. Выше ли она в телевидении?

Рис. 2. Кроме несущей частоты, спектр содержит две боковые полосы.

Л. — О да, намного!.. Но, прежде чем говорить об этом, сможешь ли ты кратко изложить, каким образом происходит передача изображений?

ВСЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ В НЕСКОЛЬКИХ СТРОКАХ

Н. — Я попробую. Так как нельзя передавать одновременно все элементы изображения, их передают последовательно. Свечение каждого элемента…

Л. — Точный термин — яркость.

Н. — Хорошо. Итак, яркость каждого элемента (я подразумеваю под этим словом элементарную площадку, достаточно малую, чтобы глаз не различал деталей в ее пределах) преобразуется в пропорциональное ей напряжение. Таким образом, сильно освещенная белая поверхность дает максимум напряжения, тогда как черная площадка дает нулевое напряжение.

Л. — Или по крайней мере наименьшее. А каким образом просматриваются все элементы изображения?

Н. — Их пробегают точно так же, как взгляд пробегает последовательно все буквы страницы. Каждую букву можно уподобить одному элементу изображения. Все элементы «прочитываются» таким образом строка за строкой. Совокупность этих строк составляет страницу, которую можно уподобить всему изображению. И когда мы таким образом просмотрели одну страницу, мы сейчас же приступаем к следующей.

Л. — Совершенно верно. А в каком темпе производится это чтение? Знаешь ли ты это?

Н. — Ну да. Для сохранения глазом ощущения непрерывности нужно, чтобы, как в кино, отдельные изображения, или кадры, очень быстро следовали друг за другом. В Европе принят стандарт 25 кадров в секунду (вдвое меньше частоты электрической сети); в США, где частота сети питания 60 гц, телевидение передает 30 кадров в секунду.

Л. — При такой кадровой частоте 800 страниц какой-нибудь книги «прочитываются» телевизионным передатчиком приблизительно за полминуты.

ИЗ НИЧЕГО НИЧЕГО И НЕ БЫВАЕТ

Н. — Это поразительно. Теперь я начинаю понимать, насколько сигнал, передающий изображение, богаче содержанием того, который передает звук, колеблющий мембрану микрофона.

Л. — Однако ничто даром не дается. Если хотят передать с помощью радиоволн столь обширное послание, в котором за 725 сек описаны относительные яркости всех элементов изображения, то нужно передать напряжение, состоящее из самых разнообразных частот, достигающих очень высоких значений и, следовательно, определяющих очень широкие боковые модуляционные полосы.

Н. — Можно сказать, что к законам сохранения материи и энергии добавляется другой аналогичный закон, не допускающий передачи в заданный интервал времени определенного количества информации, если для этого не обеспечена достаточно широкая полоса частот.

Л. — Ты прав, Незнайкин. Такой закон в природе существует. И стараться обойти его, пытаться передать некоторое количество информации (я употребляю этот термин в самом широком смысле, так как он так же хорошо может относиться к чередованию более или менее сложных звуков или к передаче более или менее деталированной части изображения, или же к телеграфному сообщению), не имея для этого необходимой полосы частот, так же бесполезно, как пытаться осуществить вечное движение без пополнения энергии извне.

В ЦАРСТВЕ ВИДЕОЧАСТОТ

Н. — Как определить частоты, используемые в телевидении?

Л. — Сигнал, соответствующий яркости последовательно просматриваемых элементов разложения, называется видеосигналом[2]. Это в сущности то же, чем является низкая частота в радиовещании. Он может содержать большое количество разных частот.

Н. — Я даже думаю, что он может в некоторые моменты быть нулевой частоты, т. е. иметь постоянное значение. Если в передаваемом изображении имеется однообразная поверхность с одинаковой яркостью, то всем ее элементам соответствует одно и то же напряжение, которое остается, следовательно, постоянным во все время передачи этой поверхности.

Л. — Правильно. Но если элементы вдоль линии разложения или строки не будут иметь одинаковую яркость, то напряжение сигнала будет меняться. Ты угадываешь, в каком случае эти изменения самые быстрые, т. е. частота видеосигнала максимальна?

Н. — Я полагаю, что это происходит, когда два соседних элемента одной строки различаются своей яркостью.

Л. — Твой ответ доказывает, что ты хорошо разобрался в вопросе. В самом деле, максимальной частоте соответствует последовательное чередование белых и черных элементов. Так, например, это случай, когда изображение содержит серию черных вертикальных полосок, ширина каждой из которых равна ширине элемента изображения, разделенных белыми промежутками той же ширины.

Н. — В этом случае каждый передаваемый элемент дает один период сигнала.

Л. — Ты слишком торопишься, Незнайкин, и это вводит тебя в заблуждение. На самом деле черной полоске соответствует небольшое напряжение, а белой — максимальное. Таким образом, два соседних элемента, один черный и другой белый, передаются одним отрицательным и одним положительным полупериодами, составляющими вместе целый период. А так как за один период передаются два элемента изображения, то общее число периодов равно…

Н. — … половине количества элементов изображения.

Л. — Ты, я вижу, очень хорошо следил за моими рассуждениями.

ОТ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗУБЦОВ К РЕАЛЬНОЙ СИНУСОИДЕ

Н. — Форма этого видеосигнала ужасно забавна. Можно подумать, что это зубцы средневековой башни. Им далеко до прекрасных синусоид в радиовещании.

Л. — Не настолько, как ты думаешь. И это но двум соображениям: прежде всего периодическое напряжение такой формы (его называют прямоугольным сигналом) может быть разложено на очень большое число синусоидальных составляющих, из которых основная имеет частоту прямоугольного сигнала, а остальные имеют частоты в 3, 5, 7 и т. д. раз большие.

Н. — Ведь это то, что называют рядом Фурье? Верно?

Л. — Да, когда хотят напустить на себя важность. Но, в самом деле, откуда ты это знаешь?

Н. — Мне случалось читать очень серьезные книги.

Л. — Тем лучше! Ты тогда должен знать, что многочисленные частотные составляющие называются гармониками. В случае видеосигнала они вряд ли пройдут через усилитель. Так как основная частота очень высока, то частота гармоник и подавно высока. И даже широкополосный усилитель не рассчитывается на пропускание этих очень высоких частот. Поэтому на его выходе (рис. 3) останется лишь одна-единственная основная синусоида[3].

Рис. 3. Когда изображением является последовательность попеременно чередующихся вдоль строки белых и черных элементов (верхняя часть рисунка), сигнал видеочастоты теоретически прямоугольный (средняя часть рисунка), а практически синусоидальный (нижняя часть рисунка) содержит столько же периодов, сколько всего пар черных и белых элементов.

H. — Тем лучше, так как твое зубчатое напряжение ничего мне не говорит. А каково второе соображение, на которое ты только что сослался?

Л. — Сделаем небольшой опыт. Возьмем этот кусок бумаги и проделаем в нем небольшое круглое отверстие таких же размеров, как и элемент изображения. Я заставляю медленно скользить мою бумажку по черным и белым полоскам, составляющим наше изображение.

Н. — Ты, значит, производишь анализ изображения так же, как это производится в телевидении.

Л. — Ну да. Говорят также разложение или развертывание изображения. Ты видишь (рис. 4), что в некоторые моменты отверстие находится целиком либо на черной, либо на белой полоске. Но перемещение из одного положения в другое происходит отнюдь не мгновенно. Мы проходим через все промежуточные положения, когда большая или меньшая часть развертываемого элемента черная, тогда как другая часть — белая. Отодвинься настолько от бумажки, чтобы ты не мог больше различать двух частей элемента изображения, ограниченных отверстием.