Традиционные средства связи

Телевидение - это передача на расстояние с помощью радиоволн изображений подвижных объектов вместе со звуковым сопровождением.

Первой работающей телевизионной системой считается механическое телевидение - изобретение немецкого инженера Пауля Нипкова, которое он, будучи еще студентом, сделал в 1884 году.

Рис. 3.45. Пауль Нипков

П. Нипков изобрел названный позднее его именем диск, с помощью которого изображение преобразовывалось в электрические импульсы. Это был диск с определенным числом отверстий, расположенных по спирали. Напротив него устанавливался фотоэлемент. Свет попадал на фотоэлемент через этот диск. Нипков вращал диск над картинкой или объектом. Световые импульсы проникали через отверстия диска и с помощью фотоэлемента превращались в электрические сигналы. Такой принцип последовательного просмотра изображения по точкам называют сканированием. Он используется и по сей день в современном телевидении. Тогда количество строк на экране было небольшим - около 300, то есть свет проникал на объект через триста отверстий. При этом телевизионная "картинка" была достаточно грубой.

На основе принципа сканирования с помощью диска Нипкова шотландский ученый Джон Бэрд в 1926 году впервые продемонстрировал публике передачу изображения и воспроизведения его на экране. Достоинство его телевизионной системы заключалось в том, что из-за очень малой разрешающей способности экрана можно было передавать телевизионное изображение, используя обычную средневолновую радиосистему. Бэрд передавал изображение, используя радиосистему компании Би-Би-Си. Он первым в мире продемонстрировал телевизионное изображение, которое было размером всего с почтовую марку, слабым и мерцающим, с очень низкой разрешающей способностью, то есть способностью передавать в изображении мелкие детали объекта. Эту систему нельзя было усовершенствовать без изменения фундаментальных технологических принципов работы телевидения.

Электронное телевидение пришло на смену изобретению Нипкова много лет спустя.

В 1907 году русский ученый Б.Л. Розинг (1869-1933) (рис. 3.46) разработал и запатентовал способ передачи изображений с помощью электронно-лучевой трубки посредством внешнего фотоэффекта, открытого А. Г. Столетовым. Чтобы на экране было видно такое же изображение, он построил электромагнитное развертывающее устройство. Число строк развертки было тогда всего 12. В 1911 году Розинг осуществил первую в мире телепередачу по своей системе. Его патент был признан во многих странах, включая Германию, Великобританию и США.

Рис. 3.46. Борис Львович Розинг

Решающую роль в создании электронного телевидения сыграли изобретения русского инженера Владимира Кузьмича Зворыкина (1889-1982). Он работал под руководством Б.Л. Розинга, позднее эмигрировал в США и работал в компании Westinghause, а затем в RCA. Президент RCA Давид Сарнов, пионер радио и телевидения, помогал осуществить его изобретения.

В 1923 году Зворыкин подал патентную заявку на иконоскоп - передающую телевизионную трубку, а в 1924 году на кинескоп - приемную телевизионную трубку. Вместе эти два изобретения составили первую полностью электронную телевизионную систему. В 1931 году В.К. Зворыкин (рис. 3.47) осуществил свой иконоскоп - передающую электронно-лучевую трубку. Он был позднее вытеснен более совершенными ортиконом и суперортиконом, но послужил основой для дальнейших важных разработок в области телевизионных камер. Современная приемная телевизионная трубка - это по существу кинескоп Зворыкина. Он разработал также цветную телевизионную систему, на которую получил патент в 1928 году.

Рис. 3.47. Владимир Кузьмич Зворыкин

Практически одновременно с работами В.К. Зворыкина в США советский инженер С.И. Катаев (1904-1991) в том же 1931 году разработал свою передающую телевизионную трубку - иконоскоп. Передачу первого изображения при помощи своего иконоскопа с разверткой на несколько десятков строк он осуществил в том же 1931 году. Обе эти передающие трубки похожи друг на друга как близнецы. А в 1932 году Катаев создал вакуумную приемную телевизионную трубку.

Для того чтобы передать изображение на расстояние, его нужно сначала преобразовать в электрические сигналы, затем передать на расстояние с помощью радиоволн, а принятые сигналы расшифровывать и снова получить изображение.

Рис. 3.48. Семен Исидорович Катаев

Преобразование изображения в электрические сигналы осуществляют с помощью передающей телевизионной трубки, а обратное преобразование электрического сигнала в изображение на экране телевизора - с помощью приемной телевизионной трубки - кинескопа.

Схема телевизора

В 1932 году Национальная Радиовещательная Корпорация (NBC), принадлежавшая RCA, начала экспериментальные телепередачи с самого высокого здания в Нью-Йорке - Эмпайр Стэйт Билдинг. Первое регулярное телевизионное вещание началось в Германии в 1935 году, а в Англии - в 1936 году. Тогда в Лондоне насчитывалось всего 400 телевизоров. К началу Второй мировой войны в Англии было уже около 2000 телевизоров, а в 1953 году их число увеличилось до 2 миллионов. Регулярное телевизионное вещание началось в США в 1939 года с показа церемонии открытия Нью-Йоркской Всемирной выставки. В этот день было показано выступление Д. Сарнова (см. выше) о перспективах телевидения, а Франклин Рузвельт стал первым президентом США, выступившим по телевидению.

Сначала телевидение не было коммерческим - вся реклама передавалась по радио, но с 1 июля 1941 года в США было официально разрешено коммерческое телевидение. Первой коммерческой телестанцией стала нью-йоркская WNBT, продававшая рекламодателям 15 часов в неделю. Спонсоры, покупая эфирное время, должны были спонсировать и телепрограмму.

На время Второй мировой войны развитие коммерческого телевидения было остановлено, а в 1945 году возобновлено. В 1948 году в США уже было 36 действующих телевизионных станций и еще 70 строились. В домах у американцев к тому времени было около 1 миллиона телевизоров.

Массовое цветное телевидение впервые возникло в США. Уже в январе 1953 года федеральная комиссия утвердила для него единый технический стандарт - NTSC. Он был разработан компанией RCA, а принадлежащая ей телекомпания NBC уже в 1963 году транслировала цветные программы 40 часов в неделю.

В начале развития телевидения наибольшие трудности с его распространением испытывали США и Россия. Ведь обе эти страны имеют огромную площадь с различными временными зонами и невысокую плотность населения во многих районах.

В США было создано кабельное телевидение, соединившее различные города. Это позволяло транслировать одну и ту же программу в разных регионах страны.

В России была впервые использована спутниковая технология - еще до того, как технические возможности телевизионных приемников позволили принимать спутниковый сигнал.

В США начали "соединять" города телевизионными кабелями. Кабельное телевидение позволяло его абонентам принимать по желанию любое число каналов. Страны Европы по площади сравнительно невелики, а плотность населения значительно выше, чем в Америке и России. Поэтому в них экономически более выгодным было строительство сети наземных трансляционных станций, покрывающих всю площадь страны.

В последние годы технические возможности позволили начать массовое спутниковое телевизионное вещание, и началась острая борьба между компаниями кабельного и спутникового телевидения. Кабельное телевидение появилось и в Европе. Но его абоненты, которые хотят иметь дополнительные каналы, пользуются и спутниковым телевидением.

К началу XXI века телевидение наряду с телефоном и радио стало наиболее массовым средством информации, развлечения и даже средством политической пропаганды и агитации. В США уже давно исход президентских выборов решает телевидение. Телевизионные дебаты кандидатов в президенты смотрит вся страна. Да и исход президентских выборов в России в 1996, 2000 и 2004 годах в значительной мере определило телевидение.

В жизни современного человека телевидение является одним из основных видов получения информации о политических и спортивных новостях, любимых видах досуга и развлечений. Существуют десятки и сотни специальных телевизионных программ: это сказки, игровые кинофильмы и мультфильмы, викторины, рассказы о живой природе и путешествиях, спортивные - о футболе, хоккее, теннисе, автогонках "Формулы-1", фигурном катании, волейболе и других видах спорта. Существует множество полезных познавательных и обучающих программ по самым разным видам знаний - географии, истории, литературе, искусства, физики, химии, математике, информатике, биологии, которые помогают в учебе школьникам, абитуриентам и студентам.

Век полупроводников, микроэлектроники и жидких кристаллов приходит на смену веку вакуумной электроники

В 1883 году Т.А. Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания. Он ввел в баллон лампы, из которой откачан воздух, металлический электрод. К выводу впаянного электрода и одному из выводов раскаленной электрическим током нити он подсоединил батарею и гальванометр. Стрелка гальванометра отклонялась, когда к электроду подсоединялся плюс батареи, а к нити - минус. При смене же полярности ток в цепи прекращался.

Этот эксперимент привел Эдисона к фундаментальному научному открытию, которое стало основой работы всех электронных ламп и всей электроники дополупроводникового периода.

Открытое им явление впоследствии получило название - термоэлектронная эмиссия.

В 1905 году этот "эффект Эдисона" стал основой британского патента Джона Флеминга на "прибор для преобразования переменного тока в постоянный" - первую электронную лампу-диод, открывшую век электроники.

В 1907 году американский инженер Ли де Форест ввел в лампу третий электрод - управляющую сетку. Эта лампа получила название "аудион", а впоследствии - "триод". Такая лампа могла уже работать в качестве усилителя колебаний, а с 1913 года на ее основе был создан генератор незатухающих колебаний.

Создание электронных ламп дало толчок бурному развитию в 1910-1920-х гг. радиосвязи и радиовещания, а появление в 1930-х гг. передающих (иконоскопов) и приемных (кинескопов) электронно-лучевых приборов обусловило возникновение электронного телевидения.

В результате сформировалась технология приборов вакуумной электроники, появились заводы по производству таких приборов, положившие начало развитию электронной промышленности. До 1960-х гг. вакуумная электроника представляла практически всю электронику.

А.Ф. Иоффе сделал ряд классических работ в области физики твердого тела, особенно в области полупроводников, исследовать которые он начал первым в мире. А ведь в начале 1930-х годов они считались бесперспективными. Он организовал лабораторию полупроводников, которая затем превратилась в научно-исследовательский институт и целое направление в науке (рис. 3.49).

Рис. 3.49. А.Ф. Иоффе

Первым полупроводниковым материалом в электронике стал селен. В 1873 году американский физик У. Смит открыл эффект изменения сопротивления селенового столбика под действием света. На этой основе был создан первый полупроводниковый прибор - фоторезистор. В 1874 году немецкий физик К.Ф. Браун открыл одностороннюю проводимость контакта металла - полупроводника. Это привело в 1900-1905 гг. к использованию полупроводников в кристаллических детекторах для демодуляции радиотелефонных сигналов.

Одним из первых начал экспериментировать с кристаллическими детекторами-генераторами О.В. Лосев (1903-1942). Олег Владимирович Лосев обессмертил свое имя двумя открытиями: он первым в мире показал, что полупроводниковый кристалл может усиливать и генерировать высокочастотные радиосигналы; он открыл электролюминесценцию полупроводников, т.е. испускание ими света при протекании электрического тока. В 1923 году он получил патент на детекторный приемник - гетеродин (кристадин). Еще при ранних исследованиях детекторов в 1923 году он заметил, что при пропускании тока некоторые из них испускают свет. Особенно ярко светились карборундовые детекторы. В Ленинграде Лосев (рис. 3.50) и занялся изучением и объяснением этой электролюминесценции, в значительной степени в содружестве и при поддержке Физико-технического института, возглавляемого академиком А.Ф. Иоффе.

Рис. 3.50. О.В. Лосев

Наследник А.Ф. Иоффе по Физико-техническому институту (Физтеху) и его сегодняшний директор Ж.И. Алферов (рис. 3.51) в 2000 году получил Нобелевскую премию за работы в области полупроводниковых гетероструктур и созданию современной полупроводниковой оптоэлектроники и полупроводниковой лазерной техники. На их основе работают лазерные проигрыватели и многие другие современные электронные приборы.

Рис. 3.51. Ж.И. Алферов

Толчком к развитию полупроводниковой электроники явилось изобретение в 1948 году американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардиным транзистора - полупроводникового прибора для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненного на основе монокристаллического полупроводника. Транзистор (от англ. transfer - переносить и resistor - сопротивление) - трехполюсный полупроводниковый электронный прибор, изменяющий свое сопротивление при приложении напряжения на управляющий электрод, что позволяет управлять мощной цепью при помощи слабого сигнала. Благодаря этому свойству транзистор применяется для усиления, коммутации и преобразования электрических сигналов. Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, свершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

В 1951 году в Силиконовой долине, к югу от Сан-Франциско (Silicon Valley, от silicon - английского названия кремния, основного элемента, применяющегося при производстве полупроводников) был создан крупный научно-промышленный центр. Занимает полосу в 56 км в длину и 16 км в ширину, протянувшуюся с северо-запада на юго-восток, и включает города Сан-Хосе, Пало-Альто, Санта-Клара, Лос-Альтос, Санни-Уэлли. В Силиконовой долине самая высокая в мире концентрация предприятий электронной промышленности.

В Силиконовой долине действуют свыше 3 тысяч фирм. Сотни из них выпускают компьютеры, около тысячи специализируются на программном обеспечении. Здесь работают около 40% американских инженеров, занятых в сфере информационных технологий. Здесь же расположен Стэнфордский университет. Технологии и продукция Силиконовой долины в необычайно короткий срок изменили мир, насытив его современными микропроцессорами, компьютерами, цифровыми фото- и видеокамерами, сотовыми телефонами и др.

Подробный рассказ об элементах и устройствах полупроводниковой техники - в главе "История компьютера".

Почти весь XX век прошел с электронно-лучевыми передающими (иконоскопами) и приемными (кинескопами) приборами. Кинескопы нашли массовое применение в телевизорах и мониторах персональных компьютеров. Но представить себе портативную видеокамеру с иконоскопом невозможно, так же как кинескоп - в качестве индикатора в портативных часах или сотовом телефоне. Электронно-лучевые приборы непригодны для этих целей ни по габаритам, ни по физическим характеристикам. Все-таки это высоковольтные приборы.

В 1969 году исследователи из Bell Laboratories - Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений. В 1973 году компания Fairchild начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были черно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС), или Charge Coupled Device (CCD), представляет собой микросхему, состоящую из соединенных между собой полупроводниковых конденсаторов. Каждый из конденсаторов держит определенный заряд. С помощью управляющей электрической схемы эти заряды определенным, синхронизированным во времени образом последовательно, по цепочке сдвигаются с одного конденсатора на другой, соседний. ПЗС-матрица является миниатюрным полупроводниковым прибором, служащим для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал. В результате получается аналоговый электрический сигнал, соответствующий отснятому изображению. Пройдя через аналогово-цифровой конвертор (Analogue-Digital Converter, ADC) информация преобразуется в цифровую форму, после чего ее можно сжимать, сохранять и обрабатывать разными способами.

Чтобы получить полноцветное изображение, возможны два пути. Один из них - при помощи призм и фильтров разбить поступающий через объектив свет на цветовые составляющие, а затем отправить красную, зеленую и синюю составляющие на отдельные матрицы CCD.

Второй путь - использовать один CCD, но поместить перед ним мельчайший фильтр с отдельной цветовой ячейкой для каждого пикселя. В результате получается CCD с набором вертикальных красных, зеленых и синих полос. Пиксели группируются в тройки: каждый из них передает свое собственное значение яркости, а цветовая составляющая вычисляется как среднее из трех значений.

Приборы с зарядовой связью стали основой для современной любительской видеосъемки и цифровой фотографии.

Изобретатели матрицы ПЗС (CCD):

Уиллард Бойл

Джордж Смит

Жидкие кристаллы - вещества, способные изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, - открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Вместе с немецким кристаллографом Ф. Леманом они описали необычные свойства жидких кристаллов. Это произошло задолго до изобретения кинескопа. Однако, как иногда случается, ученые не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Впервые советские ученые В.К. Федерикс и В.Н. Цветков в 1930-х годах исследовали их необычные электрические и оптические характеристики.

В 1930-м году исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Первый из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, а второй изучал воздействие электрического поля на жидкие кристаллы. В 1966 году корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD (Liquid Crystal Display) - цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 года уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 1970-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с экраном диагональю 5,5 дюйма, выполненным на базе LCD-матрицы, с разрешением 160х120 пикселей.