Полосу частот, необходимую для передачи изображения, можно определить, представляя изображение в виде конечного числа единичных (дискретных) элементов. Связь числа элементов изображения с полосой частот выражается формулой
где п — число элементов изображения;
Т — время передачи полного изображения (например, кадра).
Разберем такой пример. Допустим, что все изображение разбивается на отдельные квадратные элементы со сторонами, равными высоте одной строки. Допустим далее, что изображение Луны разлагается на 1 000 строк, а отношение ширины изображения к его высоте составляет 1:1. Тогда число элементов в каждой строке будет равно 1000, а в полном изображении — 1 0002 = = 1000000. Если каждое изображение передавать 25 раз в секунду, как это делается в телевидении, то общее число электрических сигналов, посылаемых в секунду по телевизионному каналу, будет равно числу элементов в одном кадре, умноженному на число кадров, т. е. 25*106, а полоса частоты, на пропускание которой этот канал должен быть рассчитан, оказывается равной примерно 12,5 Мгц.
Полагая Νэ = 5, Т = 290°К и F = 12,5*106 гц, определим минимально необходимую мощность сигнала, соответствующую равенству сигнала и шумов:
Рс. п =5· 1,38·10-23·290·12,5·106 = 2,5·10-13 вт.
Для получения хорошего качества телевизионного изображения необходимо, чтобы мощность сигнала в десятки раз превышала мощность шумов. Допустим, что мощность сигнала должна превышать мощность шумов в 60 раз. В этом случае мощность принятого сигнала должна быть равна
Рс. р =2,5·10-13·60 =1,5·10-11 вт.
Ранее мы получили мощность, прием которой реально обеспечивается бортовым и наземным устройствами (при принятых нами допущениях). Эта мощность составляет примерно РА. макс = 0,35·10-15 вт.
Таким образом, оказывается, что мощность, необходимая для обеспечения хорошего качества телевизионного изображения при числе кадров, равном 25, и числе строк 1 000, в десятки тысяч раз больше той, которую обеспечивает нам радиопередатчик автоматической межпланетной станции.
Какой же выход можно найти из создавшегося положения? Как решить эту сложную проблему — передать на огромное расстояние фотографическое изображение обратной стороны Луны?
В первую очередь были предприняты меры по созданию очень высокочувствительных радиоприемников, обладающих малым уровнем собственных шумов. Были созданы также специальные приемные антенны, обладающие высоким коэффициентом направленности. Но одни эти средства, как бы умело они ни использовались, решить возникшую проблему не могли.
Решению проблемы способствовало использование особых методов передачи и приема.
Известно, что при одинаковом числе элементов разложения и одинаковой мощности передатчика ширина полосы частот, необходимая для передачи сообщения, может быть уменьшена за счет увеличения времени передачи. При этом дальность передачи повышается пропорционально квадратному корню увеличения времени передачи.
Но в связи с большой скоростью полета космических ракет при определении ширины полосы пропускания приемника необходимо учитывать и эффект Допплера. Этот эффект проявляется на приемной стороне при движении радиоприемника или передатчика в виде изменения частоты принимаемых электромагнитных колебаний. Если приемник и передатчик сближаются, то каждую секунду приемная антенна встречает большее число волн, чем при отсутствии движения. Это значит, что частота принятого сигнала при этом возрастает. Если же источник колебаний и приемник удаляются друг от друга, то число волн, ежесекундно воспринимаемых приемником, будет меньше, чем при отсутствии движения. Этот эффект будет проявляться тем больше, чем больше скорость относительного перемещения приемника и передатчика ν и чем меньше длина волны колебаний λ.
Ширина полосы пропускания приемника Fp с учетом эффекта Допплера составляет:
где F — ширина полосы пропускания, соответствующая условию обычного приема сигналов, а ν/λ —допплеровский сдвиг частоты.
При очень больших скоростях полета отношение ν/λ становится довольно большим, что требует значительного расширения полосы пропускания и ведет к уменьшению дальности радиосвязи.
Ранее было показано, что мощность принятого на Земле сигнала бортового радиопередатчика в десятки тысяч раз меньше необходимой для создания достаточно удовлетворительного телевизионного изображения. Это сравнение фактической и требуемой мощностей соответствует передаче 25 кадров в секунду при числе строк разложения, равном 1 000.
Для передачи на Землю изображения высокой четкости советские специалисты уменьшили скорость передачи сигналов изображения Луны в десятки тысяч раз, благодаря чему и удалось главным образом решить проблему передачи изображений на космические расстояния.
Допустим, что скорость передачи понижена в 45 000 раз по сравнению с используемой в телевизионном вещании. Тогда время передачи одного кадра изображения составит:
Передача сигналов с такой скоростью и воспроизведение на Земле соответствующих изображений связаны с преодолением ряда трудностей. Остановимся на главной из них.
В обычном телевидении слитное и немелькающее изображение получается благодаря использованию ряда особенностей зрения человека и главным образом инерционности зрительного восприятия и конечной разрешающей способности глаза.
Инерционность зрительного восприятия проявляется в том, что после начала светового раздражения, имеющего постоянную интенсивность, ощущение (кажущаяся яркость) постепенно нарастает, а после окончания раздражения так же постепенно падает. Благодаря этому свойству при достаточно быстрых периодических изменениях яркости рассматриваемого объекта глаз перестает реагировать на эти изменения и воспринимает лишь среднее значение яркости. Частота периодического изменения яркости объекта, при которой прекращаются мелькания, раздражающие глаз, и начинает восприниматься лишь средняя яркость объекта, называется критической частотой мельканий. Она составляет для различных условий наблюдения и свойств изображения 10–20 мельканий в секунду. Критической частотой мелькания определяется частота повторения телевизионных кадров.
Таким образом, если мы будем воспроизводить на приемном конце изображение с той же скоростью, с какой производится передача сигналов изображения с межпланетной станции, то слитного изображения, казалось бы, получить нельзя, ибо электронный луч будет слишком медленно перемещаться по экрану приемной трубки. Только на то, чтобы прочертить одну строку, ему понадобится несколько секунд.
Каким образом может быть решена эта проблема?
Непрерывность зрительного восприятия изображения в этом случае в принципе может быть получена за счет использования таких приемных трубок, которые обладают большим временем послесвечения экрана. Трубки обычного устройства таким большим временем послесвечения не обладают. Правда, сейчас уже существуют специальные трубки, предназначенные для длительного сохранения изображения на экране. Кроме того, в настоящее время разработаны такие приборы, которые позволяют производить запись электрических сигналов медленно, а считывать их — со скоростью, во много раз превышающей скорость записи.
Существуют и другие методы передачи сигналов изображения и последующего воспроизведения их с необходимой скоростью. Подробно об этом будет рассказано дальше.
Необходимо отметить и то, что визуальное наблюдение изображения, создаваемого в процессе передачи, необходимо в основном для контроля работы бортовой и наземной аппаратуры. Целью передачи сигналов изображения является создание фотографических изображений, а это может быть осуществлено применением методов фототелеграфии.
