Televisione - Storia, Funzionamento della televisione, La trasmissione televisiva, Ricevitori televisivi, Formazione dei segnali a colori

Televisione

Sistema di comunicazioni per la trasmissione istantanea di immagini fisse o in movimento. Le immagini vengono trasmesse in forma elettronica, su linee di trasmissione elettrica, oppure per mezzo di onde elettromagnetiche. La televisione, probabilmente il più importante mezzo di comunicazione del XX secolo, porta in milioni di case in tutto il mondo notizie, spettacoli e programmi di attualità. Fu il primo mezzo a trasmettere, via satellite, immagini da un capo all'altro del globo ed è tuttora il canale di comunicazione più diretto per presentare al pubblico temi politici e notizie di attualità, oltre a rappresentare uno dei più importanti veicoli di pubblicità.

Storia

La storia dello sviluppo della televisione ripercorre in larga misura le tappe della ricerca di un mezzo per convertire segnali luminosi, cioè immagini, in segnali elettrici, in modo da permetterne la trasmissione istantanea. Il primo dispositivo con queste caratteristiche fu il cosiddetto disco di Nipkow, brevettato in Germania nel 1884 dallo scienziato tedesco Paul Gottlieb Nipkow. Si trattava essenzialmente di una coppia di dischi, rotanti con uguale frequenza, sui quali era praticata una serie di piccoli fori disposti secondo una spirale con origine nel centro del disco; quando il primo disco ruotava, la luminosità dei punti dell'immagine veniva trasmessa in successione dai fori presenti sulla superficie del disco stesso e trasmessa a una cellula fotoelettrica situata nello spazio tra i due dischi. Il segnale proveniente dalla fotocellula azionava una lampada a gas posta dietro il secondo disco, in modo da ricostruire e proiettare l'immagine. La natura meccanica e la conseguente difficoltà nel realizzare velocità di rotazione sufficientemente elevate per permettere una adeguata definizione dell'immagine rappresentarono i limiti del disco di Nipkow, che rimane comunque il primo strumento basato sulla trasmissione di un'immagine per punti luminosi. Il dispositivo di Nipkow venne perfezionato da numerosi scienziati, ma il primo apparecchio realmente funzionante fu l'iconoscopio, sviluppato nel 1923 dallo scienziato russo Vladimir Kuzmic Zvorykin. Nello stesso periodo lo scozzese John Logie Baird propose un sistema televisivo capace di trasmettere immagini in movimento sfruttando raggi infrarossi. Negli anni che seguirono la prima guerra mondiale la diffusione dei tubi elettronici e i progressi compiuti nell'ambito delle trasmissioni radio e dei circuiti elettrici resero praticamente realizzabile un sistema televisivo efficiente.

Trasmissioni

La diffusione dei programi televisivi, iniziata negli anni Quaranta negli Stati Uniti, si estese rapidamente in Europa e nel resto del mondo e il primo servizio pubblico di trasmissione televisiva fu introdotto nell'ex Unione Sovietica nel 1948. Per le prime trasmissioni venivano utilizzati sistemi meccanici e non era prevista alcuna regolamentazione dello scambio e della diffusione dei programmi. Con l'introduzione di nuovi reti, tra le quali quella italiana, in servizio dal 1954, si resero tuttavia necessari accordi che disciplinassero le trasmissioni.

Negli anni Novanta i televisori sono diventati apparecchi sempre più sofisticati, trasformandosi da semplici ricevitori di trasmissioni televisive in complesse unità computerizzate, dotate di moderni circuiti digitali e di sofisticati elementi di programmazione, che possono ricevere e visualizzare testi (come il servizio Teletext), decodificare e riprodurre trasmissioni musicali ad alta fedeltà e permettere il controllo a distanza di tutte le funzioni tramite telecomando.

Funzionamento della televisione

Immagini televisive

Le immagini televisive sono formate da una matrice di elementi tonali che compaiono sulla superficie dello schermo in rapida successione; l'immagine completa si realizza solo grazie alla persistenza delle immagini sulla retina dell'occhio umano. Vedi Vista.

Scansione

La scansione è la tecnica che permette di suddividere un'immagine in una sequenza di elementi singoli, che possono successivamente essere ricomposti nelle loro esatte posizioni in modo da riprodurre l'immagine di partenza. Lo scanner scorre rapidamente l'intera immagine, punto per punto e linea per linea, generando un segnale elettrico proporzionale alla luminosità dei punti scanditi. Nell'apparecchio ricevitore un secondo scanner ricrea un'immagine dell'oggetto ripreso muovendo un punto luminoso, modulato dal segnale, in perfetto sincronismo con il dispositivo trasmittente.

Nel corso degli anni sono stati sviluppati molti metodi di scansione, meccanici ed elettrici. La maggior parte dei moderni sistemi televisivi utilizza fasci di elettroni: data la grande velocità con cui è possibile muovere questi fasci, l'intera immagine viene scandita e ricostruita in una frazione di secondo.

La ura 1 mostra in forma molto semplificata il percorso di un fascio di elettroni durante la scansione di un'immagine. Le linee continue rappresentano il cammino del fascio sulla superficie dell'immagine mentre quelle tratteggiate rappresentano i periodi di ritorno; in questi periodi, necessari per riportare il fascio all'inizio della riga successiva o dell'intera operazione di scansione, la corrente del fascio viene soppressa.

Uno schema di scansione completo come quello mostrato produce una singola immagine fissa, paragonabile al singolo fotogramma di una pellicola cinematografica; la ripetizione dello schema di scansione per un certo numero di volte al secondo produce una sequenza di immagini.

La definizione, o capacità dell'immagine di mostrare piccoli dettagli, è direttamente proporzionale al numero di linee che compongono la scansione e del numero di elementi rilevati in ciascuna linea. Ogni sistema televisivo stabilisce la frequenza di ripetizione dello schema di scansione e il numero di linee utilizzate. In Europa viene utilizzato soprattutto il sistema PAL, con 625 linee e 25 quadri per secondo, ma il sistema francese SECAM si basa su 525 linee e 30 quadri per secondo. Negli Stati Uniti, invece, produttori di trasmettitori e ricevitori si sono accordati sullo standard NTSC di 525 linee orizzontali per quadro, con la frequenza di 30 quadri per secondo.

HDTV

Il sistema HDTV utilizza oltre 1000 linee di scansione, permettendo l'uso di schermi di grandi dimensioni, e impiega una tecnologia di trasmissione digitale del suono. La codifica dei segnali televisivi in forma digitale permette infatti la trasmissione di una quantità maggiore di informazioni e quindi una qualità dell'immagine e del suono molto elevata.

Il segnale televisivo

Il segnale televisivo è un'onda elettromagnetica complessa, variabile in ampiezza o in frequenza. Essa si compone di: 1) una serie di variazioni corrispondenti alle variazioni di intensità luminosa degli elementi presenti nell'immagine in scansione; 2) una serie di impulsi per sincronizzare la velocità di scansione del ricevitore con quella del trasmettitore; 3) una serie supplementare di impulsi di cancellazione; 4) un segnale in modulazione di frequenza (FM) che trasporta il suono associato all'immagine. I primi tre elementi compongono il segnale video, la cui gamma di frequenze spazia fra pochi Hz e circa 4 milioni di Hz.

Gli impulsi di sincronizzazione sono brevi picchi di energia elettrica generati da oscillatori, che hanno la funzione di regolare le velocità di scansione orizzontale e verticale della telecamera e del ricevitore. Gli impulsi di sincronizzazione orizzontale avvengono a intervalli di un centesimo di secondo e hanno approssimativamente uguale durata.

Gli impulsi di cancellazione disattivano il fascio elettronico nella telecamera e nel ricevitore durante il tempo che il fascio impiega per tornare dalla fine di una riga orizzontale all'inizio della successiva, e dalla fine di un quadro all'inizio del successivo. La temporizzazione e la struttura di questi impulsi sono assai complesse.

Telecamere

In una telecamera, una o più lenti focalizzano l'immagine su una superficie sensibile. Queste superfici fanno parte dei tubi da ripresa, i quali trasformano le variazioni di intensità luminosa in variazioni di carica o di corrente elettrica. Il primo tubo di ripresa televisivo fu l'iconoscopio.

Iconoscopio

Come tubo da ripresa televisiva, l'iconoscopio presenta molti svantaggi; il più rilevante è quasi sicuramente la necessità di sorgenti di illuminazione estremamente potenti per ottenere segnali video di qualità accettabile. Valido in condizioni di luce controllata, l'iconoscopio diviene pressoché inutilizzabile in condizioni di luce non ottimali.

Orticonoscopio

Per ovviare a questi inconvenienti furono sviluppati tubi da ripresa molto più sensibili, tra i quali merita di essere citato l'orticonoscopio; in qualunque condizione di illuminazione, perfino a lume di candela, questo strumento riesce a produrre segnali video utilizzabili.

Il tubo dell'orticonoscopio ha un'estremità aperta e protetta da un materiale trasparente, mentre la parte interna, rivestita da uno strato di un composto di un metallo-alcalino, rappresenta una superficie fotoelettrica sensibile (vedi Effetto fotoelettrico). L'emissione di elettroni dallo strato fotosensibile viene accelerata per mezzo di un campo elettrico e focalizzata da un campo magnetico su un elettrodo-bersaglio trasparente a bassa conducibilità. Oltre il bersaglio sono situati, in sequenza, uno schermo in rete metallica finissima, che presenta 155.000 aperture per cm , un anello di decelerazione e un rivestimento cilindrico concentrico che funge da elettrodo positivo, o anodo. Alla fine del tubo si trovano un cannone elettronico, che fornisce il fascio di elettroni, e un moltiplicatore di elettroni.

Gli elettroni emessi dalla superficie fotosensibile colpiscono il bersaglio, determinando l'emissione di parecchi elettroni secondari per ogni singolo elettrone incidente. Questa emissione secondaria produce sul bersaglio una matrice di cariche positive corrispondente all'immagine luminosa sulla fotosuperficie. La quantità di carica positiva risulta proporzionale alla luminosità dell'area corrispondente, mentre gli elettroni secondari vengono raccolti dalla griglia. Come bersaglio viene utilizzato un vetro molto sottile, in modo che le cariche positive presenti sulla superficie esterna possano attraversarlo e neutralizzare un numero uguale di cariche negative deposte dal fascio di scansione.

Il meccanismo di scansione è costituito dal cannone elettronico e dall'anodo cilindrico posti nel collo del tubo, e da un insieme di bobine di deflessione situate all'esterno del tubo stesso. Il fascio di scansione viene rallentato, poco prima che colpisca il bersaglio, per effetto dell'anello di decelerazione carico negativamente, e raggiunge il bersaglio con un'energia insufficiente per estrarre più elettroni secondari di quanti ne abbia forniti. In ogni zona del bersaglio il fascio di elettroni annulla la carica positiva presente, e gli elettroni in eccesso vengono riflessi verso il cannone e il moltiplicatore di elettroni a esso collegato.

Il moltiplicatore di elettroni, consistente in un disco che circonda la fessura attraverso cui il cannone elettronico "spara" e in una serie di elementi successivi, agisce come dispositivo di amplificazione delle emissioni di elettroni secondari. Il primo disco di un comune orticonoscopio viene mantenuto a un potenziale positivo di circa 200 V, e gli elementi successivi, detti dinodi o catodi secondari, a potenziali ancora maggiori. Ogni dinodo libera un numero di elettroni secondari superiore a quello degli elettroni che lo hanno colpito: in tal modo il segnale della camera subisce una moltiplicazione in ogni passaggio da un elemento all'elemento successivo.

Vidicon

Un altro tipo di tubo di ripresa utilizzato nelle moderne trasmissioni televisive è il Vidicon. In questo dispositivo l'immagine viene proiettata su un bersaglio fotoconduttivo, di solito uno strato sottile di trisolfuro di antimonio, che varia la propria conducibilità elettrica in funzione dell'esposizione alla luce. Il materiale fotoconduttivo è applicato su un elettrodo conduttore trasparente, che funge da placca collettrice e presenta una carica positiva rispetto alla sorgente del fascio elettronico. Un fascio di elettroni, focalizzato e deflesso come nell'orticonoscopio, deposita sul bersaglio un numero di elettroni tale da compensare la carica che si disperde dalla placca collettrice attraverso lo strato del bersaglio nel periodo che intercorre tra due scansioni. La carica risulta proporzionale all'illuminazione delle varie zone del bersaglio. Lo spostamento di carica, coincidente con la carica deposta dal fascio, genera il segnale video in ingresso a un amplificatore accoppiato al tubo.

Il Vidicon è un tubo di ripresa ad alta sensibilità, semplice e compatto. Grazie alle sue dimensioni ridotte, 2,5 cm di diametro e circa 15 cm di lunghezza, trova vasta applicazione nei sistemi televisivi a circuito chiuso, ovvero in tutti i casi in cui trasmettitore e ricevitore si trovano a distanze tali da poter essere collegati direttamente via cavo senza ricorrere a sistemi di trasmissione per grandi distanze.

La trasmissione televisiva

Se si escludono gli speciali circuiti che servono a produrre gli impulsi di sincronizzazione e cancellazione necessari per la scansione, e le apparecchiature per il controllo dei segnali provenienti dalla telecamera, un sistema di trasmissione televisiva può essere equiparato a quello di una stazione di trasmissione radio in modulazione di ampiezza (AM), mentre le apparecchiature audio non presentano sostanziali differenze da quelle utilizzate nelle trasmissioni in modulazione di frequenza (FM).

Canali

La trasmissione di segnali televisivi presenta una serie di particolari problemi non presenti nelle trasmissioni audio, il principale dei quali è la larghezza di banda. Il processo di modulazione di un'onda elettromagnetica implica la generazione di una serie di frequenze dette bande laterali, che corrispondono alla differenza e alla somma tra la frequenza dell'onda portante e le frequenze modulatrici. Nelle comuni trasmissioni audio, in cui il segnale è limitato a frequenze non superiori a 10 kHz, le bande laterali occupano uno spazio ristretto nello spettro di frequenza, e le frequenze portanti assegnate alle diverse stazioni possono differire di soli 10 kHz senza che si verifichino problemi di interferenza. La gamma di frequenze di un singolo segnale televisivo, invece, è pari a circa 400 volte l'intera banda di frequenza utilizzata da una stazione radio in trasmissioni AM.

Per poter fornire un numero di canali sufficiente a ospitare le stazioni TV di una determinata area geografica, è necessario utilizzare per le portanti televisive segnali in alta frequenza.

Trasmissioni in alta frequenza

L'uso delle alte frequenze per le trasmissioni televisive ha introdotto una serie di problemi diversi: mentre la portata dei segnali radio a bassa frequenza può raggiungere centinaia se non migliaia di chilometri, quella dei segnali ad alta frequenza è molto più limitata, e di norma non supera la linea di orizzonte (vedi Radiocomunicazioni). L'area di copertura di una stazione televisiva non supera pertanto i 60 km, e dipende dall'altezza delle antenne trasmittenti.

Inoltre le onde radio ad alta frequenza presentano un comportamento analogo a quello delle onde luminose, possono infatti aggirare e superare gli ostacoli. Come conseguenza di ciò le varie onde possono percorrere distanze diverse, giungendo al ricevitore in istanti diversi e generando immagini multiple del medesimo segnale.

Il problema dei segnali riflessi così come quello dell'allargamento dell'area di copertura di una trasmissione televisiva è stato risolto facendo ricorso a particolari tipi di antenna ricevente. Queste antenne presentano un altissimo guadagno (in quanto riescono ad amplificare anche segnali estremamente deboli) e in molti casi una forte direzionalità, ovvero una efficienza maggiore per segnali provenienti da una determinata direzione.

Televisione via satellite

Oltre al cavo e alle stazioni ripetitrici, per la trasmissione di segnali su un'ampia porzione del globo vengono utilizzati satelliti artificiali orbitanti intorno alla Terra. Un ripetitore di microonde a bordo del satellite trasmette il segnale a una stazione ricevente di terra, che lo distribuisce localmente.

Ricevitori televisivi

L'elemento più importante in un ricevitore televisivo è il cinescopio, che trasforma gli impulsi elettrici del segnale televisivo in fasci di elettroni che colpiscono lo schermo, producendo un'immagine luminosa e continua.

Il cinescopio è praticamente un tubo a raggi catodici, così chiamato in quanto genera un fascio di elettroni che hanno origine dal catodo, cioè dall'elettrodo negativo. Nel collo del tubo è posto il cannone elettronico, composto da un filamento catodico riscaldato, una griglia di controllo e due anodi. Gli elettroni emessi dal catodo passano attraverso una sottile apertura nella griglia di controllo, mantenuta a un potenziale elettrico negativo rispetto al catodo, e vengono così concentrati in un fascio. I due anodi, posti a potenziale positivo crescente rispetto al catodo, accelerano gli elettroni, mentre il campo elettrico presente tra essi focalizza il fascio in modo che colpisca un singolo punto sullo schermo situato all'estremità opposta del tubo. Spesso al campo elettrico si preferisce un campo magnetico generato da una bobina di focalizzazione.

Lo schermo

Lo schermo è ottenuto rivestendo la parte interna dell'estremità del cinescopio con una sostanza che diventa luminescente quando viene bombardata con un fascio di elettroni. Quando il tubo è in funzione, il fascio di elettroni viene visualizzato sotto forma di un piccolo punto luminoso.

Nel cinescopio, due placche di deflessione muovono il fascio di elettroni, il cui orientamento dipende sia dalla polarità sia dalla quantità delle cariche presenti sulle due placche. La prima coppia di placche rafurata nello schema deflette il fascio in direzione verticale, mentre la seconda agisce orizzontalmente. Quando un ricevitore è sintonizzato su una stazione, la scansione del fascio nel cinescopio risulta sincronizzata con quella della telecamera che riprende il segnale. Nei moderni cinescopi la deflessione è ottenuta per mezzo di due coppie di bobine magnetiche, le cui correnti, dette di deflessione, provengono da un generatore sincronizzato con un generatore analogo situato nel trasmettitore.

Il segnale in ingresso viene amplificato dal ricevitore televisivo e applicato alla griglia di controllo del cinescopio. La polarità della griglia, e quindi la quantità di elettroni che la oltrepassano giungendo sino allo schermo, dipende dall'intensità del segnale ricevuto.

Per mezzo dell'azione combinata della tensione di scansione e di quella del segnale in ingresso, il fascio di elettroni disegna sullo schermo del cinescopio una sequenza di punti che riproduce esattamente l'immagine originale.

La dimensione del lato maggiore di un cinescopio determina la grandezza dell'immagine sullo schermo; in commercio si trovano perlopiù schermi con diagonale compresa fra 3,8 e 89 cm. Per ottenere immagini di dimensioni maggiori si ricorre ai sistemi di videoproiezione su maxischermo. Recentemente sono stati messi a punto schermi a cristalli liquidi (LCD) che possono raggiungere dimensioni massime di circa 12,7 cm.

Circuiti del ricevitore

Lo schema generale dei circuiti di un moderno ricevitore televisivo è piuttosto complesso. Il segnale proveniente dall'antenna viene sintonizzato e amplificato nello stadio a radiofrequenza. Un mixer combina il segnale con l'uscita di un oscillatore a frequenza costante, restituendo frequenze di battimento che corrispondono a segnali video e audio; tali frequenze vengono separate tramite circuiti di filtraggio selettivo e poi sono amplificate separatamente. Il segnale audio viene preamplificato, demodulato e quindi amplificato nuovamente come nei normali ricevitori FM. Ugualmente il segnale video viene a sua volta preamplificato e demodulato, e inviato all'amplificatore video; all'uscita di quest'ultimo un circuito di filtraggio separa il segnale in due componenti. Il segnale della telecamera e gli impulsi di cancellazione vengono inviati direttamente alla griglia del cinescopio per regolare l'intensità del fascio di elettroni. I due insiemi di impulsi di sincronizzazione vengono filtrati nelle componenti orizzontale e verticale e applicati in ingresso agli oscillatori che pilotano i magneti di deflessione del cinescopio.

Come nella radio, a partire dalla fine degli anni Sessanta i tubi elettronici a vuoto sono stati sostituiti da transistor, circuiti integrati e altri componenti elettronici a stato solido, che occupano meno spazio e soprattutto consumano molto meno energia.

Teletext

Il sistema teletext permette di visualizzare informazioni testuali e semplici diagrammi sullo schermo, sfruttando alcune linee inutilizzate nel segnale televisivo. Il sistema Televideo della RAI trasmette notizie, previsioni del tempo, informazioni culturali e altro. Un decodificatore di cui è dotato il televisore separa le informazioni del teletext dal resto del segnale ricevuto, e le visualizza sullo schermo. La risoluzione permessa dal sistema Teletext, solo 24 linee di 40 caratteri, è comunque molto bassa se paragonata a quella dei moderni computer.

Televisione a colori

La televisione a colori venne sviluppata negli Stati Uniti negli anni Cinquanta e fu introdotta in Europa a partire dal 1967 (in Italia le prime trasmissioni sperimentali iniziarono a metà degli anni Settanta). Si calcola che oggi nei paesi industrializzati più del 90% delle abitazioni sia dotato di un televisore a colori.

Sistemi per la ricezione di trasmissioni a colori

Le informazioni necessarie a un ricevitore per riprodurre immagini a colori sono contenute nel segnale di crominanza. Così come il segnale di luminanza determina la luminosità di ogni elemento, o pixel, che compone l'immagine, il segnale di crominanza specifica tonalità e saturazione dello stesso elemento. I due segnali sono ottenuti da una opportuna combinazione tricromatica dei segnali video forniti da una telecamera, ovvero dalle variazioni di intensità dei tre colori rosso, verde e blu. Nel ricevitore i tre segnali video, ottenuti separando opportunamente luminanza e crominanza, generano nuovamente le componenti rossa, verde e blu dell'immagine, e queste, una volta sovrapposte, restituiscono l'immagine originale.

Formazione dei segnali a colori

L'immagine a colori attraversa le lenti della telecamera e giunge a uno specchio dicroico che ha la proprietà di riflettere la componente rossa e di trasmettere le altre. Un secondo specchio riflette la componente blu e trasmette quella verde. Le tre immagini ottenute sono quindi messe a fuoco sulle facce di tre tubi di ripresa. Tre filtri di colore posti di fronte ai tubi garantiscono che il segnale ricevuto da ogni canale della telecamera sia composto dal solo colore primario per cui è predisposto. I segnali ottenuti dalla scansione delle tre componenti cromatiche vengono inviati a un sommatore elettronico che restituisce il segnale di luminosità, e a un circuito encoder che li combina per ottenere il segnale di crominanza. I due segnali vengono quindi combinati per formare il segnale televisivo a colori.

Ricevitori a colori

Un ricevitore televisivo a colori incorpora un cinescopio a tre colori, dotato di tre cannoni a elettroni, uno per ogni colore primario, che scandiscono lo schermo attivando una matrice di fosfori colorati. La matrice è formata dalla ripetizione dei tre fosfori colorati, rosso, verde e blu, su tutta la superficie dello schermo. Una maschera forata posta tra i cannoni a elettroni e lo schermo permette che ogni fosforo colorato venga investito soltanto dal flusso di elettroni proveniente dal cannone corrispondente; ad esempio, il fascio che "disegna" la componente rossa dell'immagine colpirà esclusivamente i fosfori rossi.

In un televisore a colori il segnale a colori in ingresso viene separato in colore e luminosità. Il segnale del colore viene decodificato e ricombinato con le informazioni di luminosità, in modo da ottenere una serie di segnali relativi ai colori primari; tali segnali vengono inviati al cinescopio a tre colori che rigenera l'immagine originale.