Для удобства расчетов обычно считают, что анодный ток идеально постоянен и что флуктуации анодного тока вызваны некоторым переменным напряжением, приложенным между сеткой и катодом лампы. Считается, что это напряжение создается флуктуациями зарядов в некотором эквивалентном по шуму сопротивлении. Величина этого шумового сопротивления определяется параметрами и режимом работы лампы; оно возрастает при увеличении количества сеток.
Флуктуации величины сеточного напряжения лампы вследствие непостоянства сеточного тока пропорциональны корню квадратному из величины сеточного тока. Отсюда следует, что если необходимо уменьшить уровень шумов, то лампу желательно использовать при возможно меньших сеточных токах.
Особенно вредны шумы, возникающие в первом каскаде радиоприемника (во входном контуре и первой лампе).
Хотя общее напряжение шумов незначительно по величине и составляет лишь ничтожные доли вольта, оно оказывается соизмеримым с уровнем сигнала автоматической межпланетной станции и может даже превзойти во много раз уровень полезного сигнала. При этом надо учитывать и то, что в самом сигнале изображения передающего телевизионного устройства имеются помехи, обусловленные различными элементами аппаратуры, в том числе флуктуациями тока луча проекционной трубки, флуктуациями фототока, тока вторичной эмиссии в фотоэлектронном умножителе и т. д.
Если величина помех на входе первого усилительного каскада, вызываемых различными причинами, превышает уровень принимаемого сигнала, прием этого сигнала будет затруднен или вообще невозможен, так как в последующих каскадах приемника шумы будут усиливаться в огромное число раз. Таким образом, предельная чувствительность приемника ограничена помехами, т. е. уровнем помех определяется наименьший уровень сигнала, который может быть принят данным радиоприемным устройством. В телевидении считается, что для получения хорошего качества телевизионного изображения амплитуда полезного сигнала должна превосходить эффективное значение шумового напряжения не менее чем в несколько десятков раз.
Принимая различные меры, можно уменьшить уровень помех, вызываемых внешними причинами. Шумы же, возникающие в передающем и приемном устройствах из-за электрических флуктуаций, неизбежны. Их удается ослабить, но совсем устранить невозможно, так как мы не в состоянии остановить тепловое движение молекул.
Рассмотрим теперь понятие мощности шумов. Любое активное сопротивление, являясь источником шумов, при подключении его ко внешней цепи может выделить в этой цепи шумовую мощность, наибольшее значение которой выражается формулой
Рмакс = KTF,
где К — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура сопротивления (в градусах Кельвина);
F — полоса частот передаваемого сигнала, гц.
Равенство мощности сигнала и мощности суммарного шума, вносимого приемником и антенной, будет на выходе приемника в том случае, если на вход его подается мощность сигнала, равная
Pc.n=NэKTF.
В этом выражении коэффициент шума Nэ показывает, во сколько раз реальный радиоприемник при работе его на реальную антенну ухудшает отношение сигнал/шум по мощности по сравнению с идеальным приемником, который не добавляет шумов к шумам антенны. Таким образом, в данном случае коэффициентом шума Νэ учитываются как шумы самого приемного устройства, так и шумы приемной антенны, обусловленные воздействием внешних, преимущественно космических шумов.
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*106гц, определим минимально необходимую мощность сигнала, соответствующую равенству сигнала и шумов:
Рс. п =5· 1,38·10-23·290·12,5·106 = 2,5·10-13вт.
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 =1,5·10-11вт.
Ранее мы получили мощность, прием которой реально обеспечивается бортовым и наземным устройствами (при принятых нами допущениях). Эта мощность составляет примерно РА. макс = 0,35·10-15вт.
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.