От диска Нипкова до цифрового телевидения

Иллюстрация © SNEG5.com

Заблуждается тот, кто думает, что телевидение — изобретение второй половины XX века.

Началом развития телевидения считаются 1875 — 1877 гг., когда были определены основные принципы передачи и воспроизведения сигналов изображения, движущихся объектов: разложение изображения на отдельные элементы и поочередно-последовательная их передача и воспроизведение. Это остается неизменным и для современных систем телевидения.

В 1899 году русский военный инженер и ученый Kонстантин Дмитриевич Перский представил доклад «Современное состояние вопроса об электровидении на расстоянии (телевизировании)» на Первом всероссийском электротехническом конгрессе в Санкт-Петербурге. Затем Перский с тем же докладом выступил 24 августа 1900 года в Париже на IV Международном электротехническом конгрессе, где он впервые применил термин «телевидение», который с тех пор стал широко использоваться за рубежом и в дальнейшем охватил широкий объем технических решений.

Патент на первый в мире способ передачи изображения на расстоянии русский инженер Константин Перский взял еще в декабре 1899 года и, выступая в Париже, он рассказывал о проектах телевизионных устройств и возможности их осуществления. На Парижской выставке разработанный им оптический прибор был удостоен серебряной медали.

5 августа 1900 г. русский изобретатель инженер-технолог А. А. Полумордвинов предложил свою оригинальную цветную телевизионную систему, основанную, как и современная система цветного телевидения, на трехкомпонентной теории цвета и получил патент на «Светораспределитель для аппарата, служащего для передачи изображений на расстояние со всеми цветами и их оттенками и всеми тенями».

В 20-е годы телевидение предлагали называть «витафоном», «дальновидением», но в большинстве языков стало фигурировать именно слово «телевидение» или прямой его перевод («фернзеен» в немецком, «дурдаршан» в хинди и т. д.). Так термин «телевидение» впервые прозвучавший на французском 120 лет назад из уст Перского широко распространился по всему миру. До этого, если кто-либо хотел сказать о приборе, позволяющем видеть событие в другом месте, он говорил «дальновидение» или «электрическая телескопия».

К первым разработкам также относится идея преподавателя Санкт-Петербургского технологического института Б. Л. Розинга об использовании катодной трубки для преобразования электрических сигналов в видимое изображение. В 1907 г. он запатентовал эту идею в России и за рубежом, а в 1911 г. впервые в мире показал на стеклянном экране электронно-лучевой трубки телевизионное изображение.

Тракт передачи сигналов изображения за последние 120 лет не изменился: преобразователь оптических изображений в электрические сигналы, каналы передачи сигналов изображения и звукового сопровождения, устройства их приема и воспроизведения изображения и звука на телевизионных приемниках у потребителей. Постоянно совершенствовались технические решения параметров сигналов и звеньев трактов на основе новейших достижений радиоэлектронных компонентов и новых разработок приемопередающей радиоаппаратуры.

Краткая история телевидения в XX веке

Основным параметром, определяющим качество изображения, является число элементов, на которое оно разбивается. В дальнейшем каждый элемент изображения стали называть пикселом. Элементы изображения передаются последовательно, образуя строки разложения изображения, а из определенного числа этих строк формируется изображение.

Механическое телевидение

На первых этапах разработки вещательного телевидения все технические решения в ряде стран базировались на оптико-механических способах малострочного разложения и его воспроизведения на стандарте 30 строк при 12,5 кадров в секунду. Первые опытные передачи относятся к 1925-1926 гг. (Великобритания, США, Россия), а начало регулярного вещания — к 1928 — 1931 гг. (США, Россия, Великобритания, Германия).

В Великобритании Джон Бэрд впервые в январе 1926 г. продемонстрировал работу системы вещательного телевидения с механической разверткой изображения.

В России в апреле 1931 г. состоялась первая опытная передача в эфир сигналов вещательного телевидения. Комплект используемой аппаратуры был разработан в электротехническом институте связи под руководством П. В. Шмакова и В. И. Архангельского.

Основными недостатками малострочных оптико-механических систем являются низкая светочувствительность, так как уровень сигнала определяется яркостью элемента изображения в момент передачи, а также малое время его считывания. При этом узкая полоса частот сигнала позволяет использовать для их передачи радиопередатчики диапазонов радиовещания длинных, средних или коротких волн.

Электронное телевидение

На смену малострочных системам пришли системы с более многострочной разверткой изображения. В них свет воздействует на фотоэлемент непрерывно, обеспечивая накопление заряда, который считывается один раз в течение кадра. Реализован такой способ был в 1931 г. с помощью первой в мире передающей телевизионной трубки иконоскоп, авторами разработки которой считаются российский (советский) ученый С. И. Катаев и американский (выходец из России) В. К. Зворыкин.

В 1931 г. была продемонстрирована телевизионная система с электронной разверткой учеными М. фон Арденне (Германия) и Ф. Франсуорт (США).

Регулярные передачи вещательного телевидения начинаются в 1936 г. в США (стандарт разложения 343 строки (автор В. К. Зворыкин) и в Великобритании (Англии) (405 строк, автор — также выходец из России И. Шоэнберг), в 1938 г. в России (240 и 343 строки), во Франции (455 и 441 строка), в Германии (441 строка) и Италии (441 строка).

В Европе дальнейшие работы по совершенствованию систем вещательного телевидения с электронной разверткой были приостановлены из-за второй мировой войны. В США они продолжались, а в 1943 г. был внедрен новый стандарт разложения изображения на 525 строк, который успешно используется и в настоящее время во многих странах Южной и Северной Америк и в Японии.

Начало ТВ-вещания в СССР

Днем рождения регулярного вещательного телевидения в России считается 1 октября 1931 г., когда передача сигналов с механической разверткой изображения велась с технического центра на Никольской улице в Москве.

В марте 1937 г. с Московского телецентра на Шаболовке была осуществлена первая в России опытная передача системы вещательного телевидения в эфир с электронной разверткой изображения.

В июне 1937 г. с опытного Ленинградского телецентра (ОЛТЦ) передалась в эфир программа с помощью отечественной экспериментальной аппаратуры с прогрессивной разверткой на 240 строк, а в марте 1939 г. начались регулярные передачи телевизионных программ из Московского телецентра на Шаболовке с разложением изображения на 343 строки, при этом в качестве передающей антенны использовалась Шуховская башня.

7 мая 1945 г. состоялась первая после окончания войны пробная передача с Московского телецентра на Шаболовке. Работают телецентры в ряде городов России, а также в других странах Европы. Единый стандарт, как по параметрам разложения, так и по радиочастотным характеристикам, еще не был разработан, поэтому в ряде ведущих стран были продолжены работы по его оптимальному выбору. Ведущие ученые России продолжили начатые еще во время войны работы по разработке нового оптимального стандарта разложения изображения, и когда они были завершены, Московский телецентр 6 июня 1949 г. первым в мире перешел на телевизионный вещательный стандарт с чересстрочной разверткой на 625 строк при 50 полях (25 кадров) в секунду. Этот стандарт, названный позднее европейским, был принят в большинстве стран мира.

625 или 819?

К этому времени во Франции начались передачи по стандарту 819 строк, а в других странах уже существовало три стандарта (405, 625 и 819 строк), что было неудобно, так как сказывалось на приеме программ из-за взаимных помех и искажений. В рамках Международного Союза Электросвязи (МСЭ) и были сделаны шаги по выбору единого стандарта 625 строк. В Великобритании и Франции, а также их колониях долго дублировались передачи со стандартами разложения 405 и 819 строк в связи с тем, что у населения оставались старые телевизоры.

Стандарт разложения изображения 625 строк еще не стал всемирным, хотя его стали использовать Аргентина, Боливия, Парагвай и Уругвай.

Развитие вещательного телевидения прошло в своем развитии определенный путь совершенствования от отдельных маломощных передач телевизионных программ в нескольких городах каждой из стран до мощных многогранных информационных программ с большим числом передающих устройств в широком диапазоне частот с зоной охвата сигналами вещательного телевидения практически всей территории основных континентов земного шара.

Первоначально это были передачи черно-белого изображения в узком диапазоне МВ в странах Зап. Европы (41…83 МГц), Восточной Европы (48,5…66, 76…100 МГц), Сев. Америки (54…88 МГц). При этом существовала разница в значениях параметров разложения изображения и различие в радиочастотных характеристиках (ширина полосы частот, остатки подавленной боковой полосы, ширина полосы частот радиоканала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения, способы их модуляции и т.д.). Это особенно сказалось в странах Европы, где раньше началось внедрение вещательного телевидения и использовались индивидуальные стандарты. Для уменьшения взаимных помех в диапазоне ДМВ были приняты одна ширина полосы частот радиоканала (8 МГц) и один набор значений несущих частот канала изображения для основных стандартов стран Европы.

Да будет цвет!

Развитие вещательного телевидения цветного изображения шло параллельно с развитием мирового вещательного телевидения черно-белого изображения. Предлагались разнообразные технические решения разделения светового потока на три цветовых составляющих, дальнейшее формирование трех сигналов с передачей их по каналу изображения до потребителя и воспроизведение в телевизионном приемнике для получения цветного изображения.

Вначале были созданы оптико-механические системы цветного телевидения. В 1900 г. русский инженер А. А. Полумордвинов разработал первый проект механической системы цветного телевидения с последовательной передачей цветов, используя вращающиеся диски из цветофильтров. В 1908 г. русским инженером А. А. Адамяном был предложен проект двухцветной телевизионной механической системы с одновременной передачей цветовых сигналов.

В Великобритании Джон Бэрд в 1928 г. продемонстрировал действующую систему цветного телевидения с оптикомеханической разверткой изображения с использованием изобретения А. А. Полумордвинова.

В течение длительного времени в разных странах велись многочисленные испытания по выбору оптимальных систем телевидения, проводились пробные передачи. В ноябре 1952 г. в Ленинграде (Санкт-Петербург) состоялась первая опытная цветная передача по системе с последовательной передачей цветов, а 6 ноября 1954 г. в Москве начала работу опытная станция цветного телевидения, оснащенная отечественным оборудованием по системе с последовательной передачей цветов. Для этого была выпущена партия телевизоров «Радуга» на кинескопе с размером экрана по диагонали 18 см, перед которым стоял вращающийся диск со светофильтрами.

В 1953 г. в США была разработана и внедрена первая в мире система цветного телевидения NTSC — трехкомпонентная электронная, совместимая с вещательным телевидением черно-белого изображения со стандартом разложения изображения на 525 строк, система, действующая и по настоящее время. Эта система обладала рядом недостатков при передаче сигналов на большие расстояния, основным из которых является чувствительность к характерным искажениям тракта передачи. Это затрудняло ее использование в действующих сетях вещательного телевидения черно-белого изображения без реконструкции оборудования, что заставило специалистов ряда стран Европы искать другие формы передачи сигналов телевидения.

Стояла задача выбора единого стандарта на систему цветного телевидения для всех европейских стран. Выбор системы потребовал затратить много времени на исследования и проведение опытных передач. В январе 1960 г. в Москве начались опытные передачи системы цветного телевидения ОСКМ (одновременная система с квадратурной модуляцией), которая явилась аналогом системы цветного изображения NTSC, что позволяло оценить недостатки выбранной в США системы цветного изображения.

Несмотря на усилия, выбрать единую систему не удалось: в Европе стали действовать две системы вещательного телевидения цветного изображения — ВЕСАМ (последовательная передача цветов с запоминанием), разработчиками которой были специалисты Франции и СССР, и РАL (разновидность системы NTSC с переменной фазой в каждой строке), разработчиком которой стали специалисты Германии. Эти системы совместимы с вещательным телевидением черно-белого изображения (стандарт разложения изображения на 625 строк) и их сигналы малочувствительны к искажениям действующих трактов передачи.

После ряда экспериментальных проверок и длительных дискуссий наша страна выбрала для вещания систему SECAM — совместную разработку с французами. Эту же систему выбрали некоторые страны Восточной Европы, Африки и Азии. Систему PAL выбрали некоторые страны Западной Европы, Австралии, Азии и Африки. В настоящее время в мире действуют три стандарта цветного телевидения: NTSC, SECAM и PAL, поэтому при передаче сигналов одной системы в страны, где принят другой стандарт, необходимо осуществлять преобразование одного стандарта цветного телевидения в другой (транскодирование). Начиная с 1967 г. в Европе начинается быстрое внедрение цветного телевидения.

Центральное телевидение в СССР с октября 1967 г. начало регулярные цветные передачи по системе SECAM из студии телецентра на Шаболовке, а уже через 10 лет все программы Центрального телевидения стали передаваться только в цветном изображении.
Одновременно с расширением сети вещательного телевидения цветного изображения во многих регионах земного шара начинает широко использоваться частотный диапазон ДМВ 470…890 (960) МГц.

В ноябре 1965 г. вступила в эксплуатацию кабельная магистраль Москва — Катовице — Прага — Берлин. Она позволила вести регулярный международный обмен телевизионными и радиопрограммами.

Телевидение шагнуло в космос

Сложность архитектурных ландшафтов крупных городов привела к появлению «мертвых зон», где качественный прием практически становился невозможным. Этого удается избежать благодаря передаче сигналов вещательного телевидения по кабельным сетям в диапазонах частот, не охваченных наземным телевидением. Внедрение кабельных и позднее спутниковых распределительных сетей вещательного телевидения позволило значительно увеличить число телевизионных программ во многих странах мира.

Одновременно появилась возможность международного обмена программами, а использование спутников практически обеспечивает это на всей территории земного шара.

В 1962 г. проведена первая в мире передача телевизионного сигнала через искусственный спутник земли «ТЕЛЕСТАР» (США).

В феврале 1966 г. автоматическая межпланетная станция «Луна-9» передала на Землю высококачественное панорамное изображение поверхности Луны.

С ноября 1967 г. Центральное телевидение начало регулярно передавать программы приемных станций системы «Орбита» через искусственный спутник Земли «Молния-1».

В июле 1969 г. переданы первые в мире телевизионные репортажи с Луны на Землю американскими астронавтами Н. Армстронгом и Э. Олдрином.

В 1976 г. введена в действие спутниковая система вещательного телевидения «Экран», а в 1989 г. начала работать спутниковая система «Москва Глобальная», обеспечивающая прием телевизионных программ из Москвы на всей территории Земли.

Телевидение высокой четкости

Технические усовершенствования передачи сигналов изображения на большие расстояния приводят к появлению новых тенденций развития телевещания. Стремление специалистов расширить телесный угол наблюдения изображения с целью восприятия объемности (стереоскопичности) изображения привело к появлению нового стандарта разложения изображения, предусматривающего увеличение числа строк разложения примерно вдвое и получившего название телевидение высокой четкости (ТВЧ). При этом в странах, где используется частота сети переменного тока 50 Гц (Европа и др.), уже рекомендовано разложение на 1250 строк и 50 полей, а в странах, где частота 60 Гц (США, Япония и др.) — 1125 строк и 60 полей.

Разработка, испытание и частичное использование таких систем, способов передачи и распределения их сигналов ведутся очень интенсивно. В частности, с 1989 г. в Японии начали передавать регулярные экспериментальные передачи аналогового ТВЧ. Об интенсивности работ свидетельствует то, что в последние годы в международных организациях рассматривается целый ряд новых стандартов телевидения: варианты систем повышенного качества, МАС, PAL-plus и другие, оценку и преимущество которых еще длительное время будут проводить многие ведущие специалисты стран мира.

В 1987 г. Федеральная комиссия по связи США FCC (Federal Communications Commission) образовала консультативный комитет по перспективным телевизионным системам для разработки стандарта более совершенного наземного телевидения.

В 1990 г. была предложена первая цифровая система ТВЧ, за которой последовали и другие аналоговые проекты, а уже в 1993 г. был организован Большой Союз ТВЧ (HDTV Grand Alliance) для экспертизы и выбора наилучшей системы.

В июне 1999 г. Исследовательской Комиссией МСЭ-Р был принят единый мировой стандарт на систему вещательного ТВЧ, который одновременно удовлетворяет требованиям вещательного телевидения, радиовещания, компьютерной и киноиндустрий. При этом предполагается, что вместо двух стандартов разложения изображения (1125 и 1250 строк) сохраняется единый формат 16:9 с 1080 отсчетами по вертикали и 1920 элементами по горизонтали. В этот стандарт включены новые значения частот кадров при прогрессивной развертке, в том числе и 24 Гц, которая используется в кинематографии. Благодаря этому облегчается международный обмен программами в виде кинофильмов, которые редактируются в электронном виде и могут передаваться по цифровым каналам связи.

Предпосылки цифрового телевидения

Одним из главнейших направлений сегодня стало стремление многих стран перейти на прием сигналов вещательного телевидения в цифровой форме, стандарт которого позволяет передавать в одном частотном канале сигналы нескольких телевизионных программ (обычно до 10) и другой информации.

Началом цифрового вещательного телевидения считается 1996 г., когда цифровые сигналы впервые передавались через спутник системы Eutelsat по стандарту DVB (Digital Video Broadcasting).

С 1999 г. в России началось цифровое телевизионное вещание телекомпанией «НТВ-Плюс» через спутник «Богум-1», а с 2000 г. появились первые опытные зоны цифрового наземного вещательного телевидения России (Нижний Новгород, Санкт-Петербург и Москва).

В настоящее время диапазон 47…890 МГц, в котором ведется только наземное аналоговое вещательное телевидение в разных странах мира близок к насыщению. Например, в странах Европы используется более 70 тыс. передатчиков, многие из которых работают в диапазоне МВ. На частоте одного канала может работать до тысячи передатчиков. Аналоговое вещательное телевидение является основным средством доставки потребителю телевизионных программ во всех странах мира. Ведущие специалисты мировых лидеров (США, Европа, Япония) стремятся найти кратчайшие пути увеличения числа телевизионных программ путем замены непрерывных аналоговых сигналов цифровыми сигналами (в виде дискретных выборок), так как это позволяет передавать несколько программ в полосе частот одного аналогового канала за счет их уплотнения.

В это время (1993 г.) в Европе появился проект цифрового вещательного телевидения DVB (Digital Video Broadcasting) и уже в 1994 г. был утвержден стандарт DVB-S (DVB- Satellite), который регламентирует цифровое спутниковое вещание. Первое практическое применение этого европейского стандарта было осуществлено в Таиланде и Южной Африке. Этот стандарт уже приняли сотни вещательных организаций разных стран, включая страны Европы, США, Японии.

В 1996 г. был утвержден стандарт кабельного телевидения DVB-С (DVB-Cable) и eгo стали использовать в странах Скандинавии, во Франции, Германии, Великобритании, Италии, Испании, Аргентине, Бразилии, Австралии, США.

В 1996 г. в Европе был утвержден первым в мире стандарт наземного цифрового вещательного телевидения DVB-Т (DVB- Terrestrial), а в конце этого же года в США FCC был утвержден стандарт на систему вещательного ТВЧ АТSС DTV (Advanced Television System Committee Digital Television). К этому времени Япония предложила стандарт цифрового вещания с предоставлением комплексных услуг ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). В нем большое внимание уделялось обеспечению гибкости передачи информации, включающей разные программы (в том числе ТВЧ), радиопрограммы и т.д.

Однако этот стандарт появился позже своих конкурентов и пока не может претендовать в качестве единого мирового. Принятие единого мирового стандарта наземного вещания было бы наилучшим вариантом. Однако этого не происходит в силу многих факторов, кроме того подвергаются экспертизе стандарты DVB-Т и АТSС, каждый из которых имеет определенные преимущества.

Говоря о перспективах внедрения в России наземного цифрового вещательного телевидения, уместно возвратиться в 1999 г., когда эта тема обсуждалась в рамках международного конгресса выставки TeleRadioBroadcast Ехр (TRBE) 99. При этом было отмечено, что научно-исследовательская разработка основ внедрения цифрового вещательного телевидения началась еще в начале 1980-х. годов в СССР.

В феврале 1989 г. Постановлением Госкомсвязи РФ была утверждена «Концепция внедрения наземного телеизвуковещания в России». Ее базовым элементом является принципиально новый подход к цифровому вещательному телевидению как наиболее эффективному средству для решения проблем многопрограммного телевидения, передачи больших объемов цифровых данных, массовой интерактивности, а также ряда задач мультимедиа и других служб с последующей интеграцией их в единую информационную систему.

Концепция базировалась на необходимости переходного периода от аналогового к цифровому телевидению, во время которого аналоговые и цифровые системы будут работать совместно.

Международная стандартизация тракта передачи в наземном цифровом вещательном телевидении основывается на российском подходе, который на начальном этапе предусматривает сохранение существующих частотных каналов с номинальными полосами частот 6, 7 и 8 МГц.

АНАЛОГИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ПО МЕТКАМ):

Отец видеозаписи Александр Понятов и AMPEX Стедикам изобрел Гаррет Браун в 1977 году Аналоговое телевидение как базовая основа цифрового ТВ Как формируется цифровой телевизионный сигнал Стандарты видео в цифровом телевидении Достоинства и недостатки изогнутых телевизоров Рентген изобрел Вильгельм Конрад Рёнтген Кодирование и передача сигналов цифрового ТВ Стандарты звука в цифровом телевидении Цифровое телевидение в России — как оно работает