Введение

В конце XIX века были открыты и исследованы свойства невидимых электромагнитных волн, способных распространяться на большие расстояния. Эти волны были названы радиоволнами. Обобщая обширный опытный материал, собранный естествоиспытателями, английский физик Джеймс Максвелл создал в 60-х годах XIX века теорию электромагнитного поля, установившую общую природу световых и радиоволн, а также открыл законы их распространения. В дальнейшем были изучены другие виды излучения: ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское и т.п. Исследования показали, что несмотря на различие ряда свойств этих видов излучения их природа одна и та же: все они представляют собой электромагнитные волны, а особенности их физических проявлений определяются различием в длине волны.

В 1886-1888 годах немецкий физик Генрих Герц экспериментально подтвердил основные выводы теории Максвелла, показав, что законы распространения, отражения и преломления радиоволн аналогичны законам распространения света. Это послужило толч­ком к интенсивным исследованиям в отношении использования радиоволн для нужд связи.

Важнейшим свойством переменного электромагнитного поля является то, что оно не локализуется в месте возникновения. От точки, где оно возникло, возмущение начинает распространяться во все стороны в окружающее пространство, порождая электромагнитные волны, подобно тому, как всплеск воды от камня, брошенного в пруд, создает разбегающиеся по его поверхности круги.

Электромагнитные волны являются носителями энергии. За счет лучистой энергии, приносимой ими с поверхности Солнца, существует жизнь на Земле. Следовательно, создание электромагнитного излучения должно явиться результатом процессов преобразования энергии. Такое преобразование произойдет, например, если заставить электрон двигаться с ускорением. Энергия, затрачиваемая устройством, вынуждающим электрон двигаться с ускорением, превращается в энергию электромагнитного излучения.

В радиотехнике основное практическое применение нашел метод использования ускоренного движения свободных электронов, находящихся в огромном количестве в телах проводников.

Очевидно, что создать ускоренное движение электронов в одном направлении длительно практически невозможно, поэтому приходится ускорение в одном направлении сменять замедлением, т.е. ускорением в противоположном направлении. Подобный цикл может быть повторен неоднократно. Это можно осуществить путем присоединения каких-либо проводников к зажимам источника переменной ЭДС, под действием которой свободные электроны проводника начинают совершать колебательное движение, создавая электромагнитное излучение в окружающем пространстве. Такой проводник, преобразующий энергию источника переменной ЭДС в энергию электромагнитных волн, называется передающей антенной.

Теория Максвелла позволила установить, что скорость распространения электромагнитных волн в какой-либо среде V = с/ , где с - скорость распространения света в вакууме; - диэлектрическая, а µ- магнитная проницаемости среды. Для воздуха µ = ε = 1, а скорость распространения электромагнитных волн близка к скорости света в вакууме: V = с ≈ 300 000 км/с.

Колебания электронов в антенне создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент поле у антенны имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время существовавшее в начальный момент у антенны электромагнитное поле переместится на расстояние λ, называемое длиной волны, т.е. минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в которых имеет одинаковое значение. Длина волны λ зависит от скорости ее распространения и периода колебаний электронов в антенне.

История развития техники как радиопередающих, так и радиоприемных устройств берет начало 7 мая 1895 г., когда русским физиком и электротехником А.С. Поповым были построены и продемонстрированы первые радиоустройства, а в 1897 г. запатентованы итальянским изобретателем Г. Маркони. В марте 1896 г. впервые в мире А.С. Попов осуществил радиопередачу осмысленного текста «Генрих Герц» на расстояние 250 м. В дальнейшем для увеличения дальности радиосвязи А.С. Попов применил антенну на передатчике, и к 1897 г. ему удалось перекрыть связью расстояние до 5 км, а к 1899 г. - до 45 км. В радиопередатчике А.С. Попова использовался единственно известный в то время принцип получения колебаний высокой частоты - с помощью искрового разряда. Отсюда название таких радиопередатчиков - искровые.

Наряду с совершенствованием искровых радиопередатчиков во втором десятилетии XX века для генерации колебаний высокой частоты начали широко использоваться устройства, основанные на применении других принципов. Так, были получены незатухающие высокочастотные колебания в резонансном контуре, присоединенном параллельно к вольтовой дуге (дуговые радиопередатчики). В этих передатчиках использовалось наличие падающего участка вольтамперной характеристики дуги, соответствующего отрицательному сопротивлению. Это сопротивление компенсирует в кон­туре генератора сопротивление потерь, и в нем возникают незатухающие колебания. Радиотелеграфные сигналы передавались изменением частоты высокочастотных колебаний с помощью замыкания и размыкания части витков катушки индуктивности колебательной системы. Незатухающие колебания генерировались также с помощью электромашины высокой частоты (машинные радиопередатчики).

Машинные и дуговые радиопередатчики к концу 1914 г. практически полностью вытеснили искровые. В нашей стране были построены мощные дуговые передатчики под руководством В.М. Лебедева и М.В. Шулейкина. Один из них мощностью 110 кВт был установлен в 1920 г. в Москве.

Как дуговые, так и машинные радиопередатчики имели ряд существенных недостатков: сложность генерирования, усиления и управления высокочастотными колебаниями в широком диапазоне частот и мощностей, низкая стабильность частоты, сложность проектирования и изготовления. Поэтому к 30-м годам прошлого столетия дуговые и машинные радиопередатчики были полностью вытеснены ламповыми.

Первые ламповые радиопередатчики появились в 1914-1916 годах. Первые отечественные генераторные лампы были созданы в 1914 г. Н.Д. Папалекси. В развитии и распространении ламповых передатчиков большую роль сыграла Нижегородская радиолаборатория, созданная в 1918 г.

Уже в 1930-х годах и особенно в 1940-е годы началось интенсив­ное освоение метрового, дециметрового и сантиметрового диапазо­нов волн. Именно благодаря использованию этих диапазонов уда­лось осуществить высококачественную передачу телевизионных изображений, внедрить в практику частотную модуляцию, широко использовать для передачи сообщений радиорелейные и спутнико­вые линии связи. Освоение новых диапазонов потребовало созда­ния новых электронных приборов для усиления и генерирования сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ). В частности, были разра­ботаны магнетроны, многорезонаторные пролетные клистроны, лампы бегущей волны.

Качественно новый этап развития техники радиоприемных устройств, как и радиопередающей аппаратуры, начался с применения электронных ламп - диода (1904 г.), использовавшегося преимущественно в качестве детектора, и особенно триода (1907 г.), применение которого для усиления мощности принятых сигналов обеспе­чило многократное повышение чувствительности ламповых приемников по сравнению с детекторными.

В 1918 г. был разработан обладающий значительными преимуществами супергетеродинный метод приема, однако его широкое внедрение стало реальным только с появлением в тридцатые годы прошлого столетия экранированных ламп - тетродов, пентодов, и других многосеточных усилительно-преобразовательных ламп. С начала 1930-х годов этот метод приема является основным во всем радиодиапазоне волн.

В этот же период в связи с перегруженностью освоенных радиодиапазонов и потребностями высококачественного телевизионного вещания усиленно изучался и осваивался диапазон ультракоротких волн (УКВ), для повышения качества и надежности радиоприема разрабатывались эффективные методы модуляции и борьбы с помехами.

В решении проблемы помехоустойчивости радиоприема возникло новое направление, основанное на изучении и использовании различий в статистических характеристиках сигналов и помех с помощью методов теории передачи информации. Одним из важнейших достижений на этом направлении было создание в 1946 г. теории потенциальной помехоустойчивости приема, на базе которой развивается современная теория анализа и синтеза радиосистем, оптимальных по помехоустойчивости.

В 1950-е годы начался новый этап развития техники радиоприема на основе достижений полупроводниковой электроники. Широкому внедрению полупроводниковых приборов способствовало изобретение в 1947 г. транзистора. Быстрый процесс «транзисторизации» привел к вытеснению электронных ламп из радиоприемной аппаратуры умеренно высоких частот, а разработка малошумящих полупроводниковых параметрических усилителей и появление туннельного диода, также использовавшегося для малошумящего усиления, вытеснили электронные лампы в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. Замена ламп транзисторами в технике радиопередающих устройств вызвана значительными преимуществами этих приборов: малыми массой и габаритными размерами, мгновенной готовностью к работе, долговечностью, низковольтным питающим напряжением. В настоящее время транзисторы используются как в маломощных радиопередатчиках и возбудителях, так и в передатчиках средней мощности. При этом наряду с биполярными в передающих устройствах применяют полевые транзисторы. По мере разработки все более высокочастотных генераторных транзисторов создаются радиопередатчики с использованием транзисторов, работающих на частотах до нескольких гигагерц.

В 1960-х годах начинает развиваться микроэлектроника, а 1980-е годы характеризуются широким внедрением в радиоприемных устройствах сначала аналоговых, а затем и цифровых интегральных микросхем, что наряду с дальнейшим повышением надежности и улучшением других технических показателей радиоприемников позволило осуществлять сложные методы приема и обработки сигналов.

Фактически одновременно с развитием техники радиосвязи разрабатывались первые телевизионные системы.

Термин «телевидение» возник в 1890 г. Его впервые употребил на Международном конгрессе в Париже русский инженер-электрик К.Д. Перский в докладе «Электрическое телевидение».

Человек живет в макромире, воспринимая его, главным образом, через зрение. Окружающий мир люди воспринимают трехмерным, в красках и динамике. И только вековая привычка позволяет людям довольствоваться двумерным изображением объемных объектов, воспроизводимых весьма распространенными и признанными видами искусства и техники (живопись, фотография, кино, телевидение).

Конечным индикатором при телевизионной передаче является глаз, поэтому телевизионная система должна строиться с учетом нашего зрительного органа. Например, в основу построения телевизионных систем положены временная и пространственная дискретность глаза. При этом задача телевидения заключается в передаче на расстояние с помощью радиотехнических устройств изображений объектов и в одновременном воспроизведении их на экране телевизионных приемников. С этой целью оптическое изображение преобразуется в электрические сигналы, затем электрические сигналы передаются по каналу связи и на приемной стороне вновь преобразуются в оптическое изображение. Таким образом, телевидение является наукой об электрических способах передачи визуальной, т.е. зрительной информации. Роль телевидения в современных средствах доставки информации человеку является весьма значительной и непрерывно растет, так как в общем случае через зрительные органы чувств человеку поступает около 80% всей информации.

Большой вклад в решение проблемы телевидения внесли отечественные ученые. Особенно велики заслуги русских ученых А.Г. Столетова, установившего в 1888-1890 годах основные законы внешнего фотоэлектрического эффекта, изобретателя радио' А.С. Попова, П.И. Бахметьева, предложившего в 1880’г. независимо от португальца А. де Пайва и француза К.М. Сенлека идею последовательной передачи изображения по элементам, которая используется в современном способе телевизионной развертки. Очень значителен вклад Б.Л. Розинга, разработавшего в 1907 г. систему «катодной телескопии» с использованием электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для воспроизведения изображения и осуществившего в 1911 г. одну из первых в мире телевизионных, передач. Работы А.А. Чернышева, А.П. Константинова, С.И. Катаева, П.В. Шмакова, П.В. Тимофеева, Г.В. Браузе были положены в основу создания телевизионных передающих трубок.

Первые практические телевизионные системы были осуществлены в 1925 г. Дж. Бердом в Великобритании и Ч.Ф. Дженкинсом в США, а в 1926 г. Л.С. Терменом в нашей стране. В 1926 г. Д. Бердом были организованы опытные телевизионные передачи с помощью радиостанции вблизи Лондона с четкостью 30 строк. В нашей стране экспериментальные передачи телевизионного изображения с малым числом строк разложения (всего 30 строк при 12,5 кадрах в секунду) из Москвы в Санкт-Петербург были проведены в октябре 1931 г. под руководством П.В. Шмакова. Первые действующие телевизионные системы были механическими, использующими диск Нипкова для развертки изображений. Основным недостатком подобных систем являлась низкая четкость воспроизведения изображений. Принципиальные недостатки телевизионных систем механического типа не позволяли улучшить качество получаемых изобра­жений, избавиться от вращающегося диска, находящегося непосредственно перед телезрителями.

Однако уже в тридцатые годы прошлого столетия в ряде стран были созданы предпосылки для развития электронного телевизионного вещания. Например, в нашей стране в 1937 г. было завершено строительство двух телецентров электронного типа: в Санкт- Петербурге - полностью на отечественном оборудовании со стандартом разложения 240 строк и в Москве - на зарубежном оборудовании со стандартом 343 строки. С 1948 г. началось вещание Московского телецентра по стандарту разложения 625 строк.

Важным этапом в развитии телевидения явилось внедрение цветного телевизионного вещания, регулярные передачи которого в нашей стране начались 1 октября 1967 г. по системе SECAM-III.

Наибольшее распространение телевидение нашло в гуманитарной сфере человеческой деятельности, а именно в сфере телевизионного вещания, которое является наиболее массовым средством информации, культуры, образования. В то же время, все более широкие масштабы принимает использование телевидения в научных исследованиях, в промышленности, на транспорте, в строительстве, в медицине и т.п. Например, в последние годы телевидение стало применяться в учебном процессе, что позволяет повысить качество преподавания и снизить материальные расходы на одного учащегося.

Исключительно важно значение телевидения в освоении космического пространства. Началом использования телевидения в космических исследованиях следует считать 7 октября 1959 г. В этот день с помощью фототелевизионной аппаратуры, установленной на космической станции «Луна-3», впервые в истории было произведено фотографирование и осуществлена передача на Землю изображения обратной стороны Луны. Во всех последующих полетах космических кораблей неизменным помощником ученых было телевидение. Оно использовалось для наблюдений за жизнедеятельно­стью космонавтов, находящихся как внутри, так и вне корабля; при передаче на Землю телевизионных изображений поверхностей Луны и Марса; для наблюдения с искусственных спутников Земли (ИСЗ).

В ближайшем будущем телевидение перейдет на новую качественную ступень развития. В первом десятилетии двадцать первого века аналоговое телевидение со всеми присущими ему искажениями станет частью истории, поскольку наземные, спутниковые и кабельные системы передачи, по которым происходит доставка телевизионных программ телезрителям, постепенно переходят на цифровые методы. Применение цифровых методов обработки, передачи и консервации телевизионных сигналов позволяет не только повысить качество воспроизводимых изображений, но и обеспечить высококачественное звуковое сопровождение. Цифровые телевизионные системы открывают широкие возможности для создания многопрограммного телевизионного вещания, в том числе и в сети Интернет, способствуют внедрению телевидения высокой четкости (ТВЧ), позволяют придать телевидению интерактивный характер.

Важным шагом в развитии цифрового телевизионного вещания в нашей стране явилось решение Правительства РФ от 25 мая 2004 г. о внедрении в России европейской системы цифрового телевизионного вещания DVB (Digital Video, Broadcasting - цифровое видеовещание).

В настоящее время значительные усилия прилагаются для строительства эффективных сетей распределения телевизионных программ различного уровня (федеральных, региональных, мест­ных). Например, для цифровой передачи телевизионных программ в отдельные регионы страны планируется использовать магист­ральные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), для некоторых телевизионных программ организовано дополнительное вещание через сеть Интернет, началось строительство сотовых систем теле­видения. В ряде городов нашей страны уже построены первые ка­бельные мультисервисные сети, которые являются системами ши­рокополосного доступа. В данном случае абоненты, подключенные к такой сети, способны принимать с высоким качеством большое количество телевизионных программ, имеют возможность подсое­динения к различным компьютерным сетям, обеспечены высокоско­ростным доступом к сети Интернет.