4.1. Амплитудная модуляция
4.2. Спектры сигналов при амплитудной модуляции.
4.3. Радиоприемники AM сигналов
4.1. Амплитудная модуляция
Мы с вами уже знаем, что такое электромагнитные волны, знаем, как они распространяются, как их излучают с помощью антенн. А как посредством радиоволн передать человеческую речь или музыку?
Для начала уточним, что представляют собой звуки. Это тоже колебания, но не электромагнитные, а акустические, т. е. колебания воздуха, распространяющиеся в виде волн. Для их существования обязательно нужна какая-либо среда. Скорость распространения звуковых волн неизмеримо меньше, чем электромагнитных, — в воздухе она составляет всего 330 м/с, поэтому мы слышим, например, раскат грома, значительно позже, чем сверкнула молния.
Чтобы передать звуковые колебания по радио, их сначала надо преобразовать в электрические. Такую задачу выполняет микрофон. Простейший микрофон из трубки телефонного аппарата — угольный — изменяет свое сопротивление под действием звукового давления на мембрану во время разговора. Если его включить последовательно с питающей батареей и нагрузкой, например, резистором, то напряжение и ток в нагрузке будут изменяться в такт со звуковым давлением.
Угольный микрофон позволяет создать довольно мощные электрические колебания звуковой частоты — в этом его достоинство. Но качество звука получается невысоким. Более совершенные микрофоны используют закон электромагнитной индукции (динамические) или пьезоэффект (кристаллические).
Амплитуда колебаний звуковой частоты на выводах микрофона соответствует громкости звука, а частота — высоте тона. Лишь некоторые звуки, например, свист, чистая музыкальная нога, дают близкие к синусоидальным колебания. Большинство же звуков — сложные колебания, которые тем не менее можно представить в виде суммы более простых, синусоидальных колебаний, но разной частоты. Тогда говорят о спектре колебаний. К примеру, для человеческого голоса он содержит частоты примерно от 300 Гц до 3…4 кГц. Для хорошего воспроизведения музыки, передаваемой по радио, нужен спектр частот от 50 Гц до 10… 12 кГц. Вообще же человеческое ухо способно слышать звуки в диапазоне от 16 Гц до 16 кГц, и чем ближе к этим значениям границы полосы частот всего тракта передачи, тем естественнее звучание.
Если представится возможность, подключите микрофон ко входу электронного осциллографа и понаблюдайте осциллограммы произносимых вами звуков. Посмотрите также на экране осциллографа сигнал в трансляционной сети, на выходе радиоприемника, магнитофона, плейера. Вы убедитесь, что колебания звуковой частоты (ЗЧ) чаще всего далеки от синусоидальных и носят импульсный, “взрывной» характер, когда отдельные всплески сигнала перемежаются продолжительными периодами колебаний с малой амплитудой и паузами (рис. 18).
Пик-фактор, или отношение максимальной амплитуды к средней, даже для довольно сильно искаженного (ограниченного по амплитуде) сигнала на выходе микрофона телефонной трубки составляет не менее 3, а для неискаженного музыкального сигнала достигает десятков и даже сотен. Поскольку тракт радиопередачи нужно рассчитывать на максимальный сигнал, ограничение его в той или иной степени используют почти всегда.
Электрические колебания ЗЧ можно усиливать — ведь усилители не изменяют ни форму, ни спектральный состав колебаний, увеличивая лишь их амплитуду и мощность. Они так и называются — усилители звуковой частоты (УЗЧ). Колебания ЗЧ можно передать по проводам (вспомните трансляционные линии и абонентские громкоговорители), записать на магнитную ленту, грампластинку или компакт-диск, но нельзя передать в эфир в виде радиоволн — волны получились бы чрезвычайно длинными, для них и антенн создать практически невозможно.
Для передачи звука в эфир необходимы высокочастотные несущие колебания, или просто несущая, на которую с помощью процесса модуляции накладывают колебания ЗЧ.
Несущая вырабатывается задающим генератором (рис. 19,а), работающим на отведенной для радиостанции частоте. Его синусоидальные колебания 1 (рис. 19,б) поступают на модулятор, где взаимодействуют с колебаниями ЗЧ 2 (рис. 19,в), образуя модулированный сигнал 3 (рис. 19,г). Последний подается на усилитель мощности, а с его выхода — в антенну радиостанции. Очень часто амплитудную модуляцию осуществляют непосредственно в усилителе мощности, изменяя напряжение питания в такт с колебаниями ЗЧ.
При амплитудной модуляции (AM) колебания ЗЧ воздействуют на амплитуду, или размах высокочастотных (их еще называют радиочастотными — РЧ) колебаний. Теперь информация о звуке содержится в амплитуде, или, как говорят, в огибающей радиочастотного сигнала.
Очевидно, что при отрицательной полуволне напряжения ЗЧ амплитуда колебаний РЧ может упасть только до нуля, а при положительной возрасти не более чем вдвое (иначе будет перемодуляция и появятся искажения сигнала). Это соответствует коэффициенту модуляции (отношению амплитуды колебаний ЗЧ к амплитуде несущей) m=1.
Такая ситуация возможна только на пиках сигнала ЗЧ, в среднем же модуляция меньше, m< 1. При испытаниях. контроле и настройке передатчиков с помощью синусоидального сигнала ЗЧ устанавливают m=0,3.
4.2. Спектры сигналов при амплитудной модуляции.
Говорят, что радиостанция работает на какой-то определенной частоте, например 549 кГц (“Маяк” в диапазоне СВ). Но только ли одну эту частоту занимает сигнал радиостанции? Оказывается, нет — радиостанция занимает некоторую полосу частот вокруг указываемой в справочниках и волновых расписаниях. Чтобы выяснить данный вопрос поточнее, допустим, что модуляция производится чистым тоном, т. е. звуковым сигналом с одной единственной частотой (см. рис. 19,в).
В этом случае спектральная диаграмма излучаемого сигнала будет соответствовать показанной на рис. 20. Слева на ней в виде вертикальной линии показана звуковая частота F, в середине — так называемая несущая частота f0, а по бокам от нее еще две частоты, которые так и называют: боковые частоты, верхняя и нижняя.
Боковых частот нет в отсутствие модуляции, когда m=0, но они возрастают до половины уровня несущей (он для простоты рассуждений принят единичным) при полной модуляции, когда m=1. Мощность же боковых частот пропорциональна квадрату их амплитуды и изменяется при возрастании коэффициента модуляции от нуля до четверти от мощности несущей.
А если модулировать несущую не чистым тоном, а некоторым спектром звуковых частот, соответствующим речи или музыке? Тогда каждая компонента звукового спектра образует свою пару боковых частот. В итоге получается сложный спектр модулированного сигнала, содержащий несущую, верхнюю и нижнюю боковые полосы (рис. 21). Верхняя боковая полоса в точности соответствует спектру звуковых частот, но смещена по оси частот вверх на интервал, соответствующий значению несущей. Нижняя боковая полоса также точно отображает спектр звуковых частот, но инвертирована, т. е. зеркально отражает верхнюю боковую полосу относительно несущей. Суммарная мощность боковых полос возрастает до половины мощности несущей на пиках модуляции. При отсутствии модуляции боковые полосы исчезают.
Теперь мы можем с определенностью ответить на вопрос, какую полосу частот занимает сигнал радиостанции. В справочниках указывают частоту несущей, расположенной в середине спектра AM сигнала, а полная ширина полосы сигнала соответствует удвоенной верхней модулирующей частоте F. В соответствии с принятой администрацией связи той или иной страны верхней модулирующей частотой и определяется ширина спектра частот сигнала радиостанции.
Знание ширины полосы частот радиостанции необходимо для правильного распределения частот радиостанций в эфире, а также для рационального выбора полосы пропускания радиочастотного тракта радиоприемника.
4.3. Радиоприемники AM сигналов
Рассмотрим теперь структурную схему радиоприемника (рис. 22) для приема станций, работающих в режиме амплитудной модуляции. Принятый антенной WA сигнал поступает в радиотракт, выполняющий две задачи: селекцию сигнала нужной радиостанции от всех остальных, мешающих, и его усиление. Качество выполнения первой задачи характеризует селективность (избирательность) приемника, а второй — его чувствительность.
Селективность обеспечивают колебательные контуры, настроенные на частоту сигнала. Лучшие результаты можно получить при объединении нескольких контуров в фильтр. Отфильтрованный и усиленный радиочастотный (РЧ) сигнал, имеющий такую же форму, как на рис. 19,г, подается на детектор огибающей, который выделяет напряжение ЗЧ (см. рис. 19,в). Оно поступает на усилитель ЗЧ, к выходу которого подключен громкоговоритель.
Все упомянутые элементы (кроме усилителей) показаны на принципиальной схеме простейшего детекторного приемника (рис. 23). Селективность обеспечивает единственный колебательный контур L1C1, связанный с антенной WA1 и детектором. Для настройки контура на частоты разных радиостанций применен конденсатор переменной емкости С1 (КПЕ). В старинных детекторных приемниках применялись и катушки переменной индуктивности — вариометры.
Детектором служит диод VD, пропускающий ток только в одном направлении и, следовательно, выделяющий только положительные полупериоды модулированного напряжения РЧ. Блокировочный конденсатор С2 сглаживает радиочастотные пульсации, и по ка-
тушкам головных телефонов BF протекает ток звуковой частоты.
У детекторного приёмника, наряду с его очевидными достоинствами — простотой и отсутствием питания, — довольно много недостатков. Ему нужны большая антенна и заземление, громкоговорящий прием едва удается получить, да и то только в электромагнитном поле близрасположенных мощных радиостанций, и, наконец, один контур обеспечивает очень низкую селективность. Правда, сделать детекторный приемник громкоговорящим несложно — достаточно вместо телефонов подключить вход какого-либо усилителя ЗЧ, нагруженного на динамическую головку или громкоговоритель. Но другие недостатки приемника — низкие чувствительность и селективность — все равно остаются.
Более совершенны приемники — прямого усиления. Название это появилось потому, что усиление принятого сигнала идет прямо на его частоте. Простейший одноконтурный приемник прямого усиления получится, если между контуром и детектором установить усилитель, выполненный на одном или нескольких транзисторах. Чувствительность его заметно выше, а вот селективность по-прежнему оставляет желать лучшего.
Мы еще будем подробно знакомиться со свойствами и возможностями колебательных контуров, а также с фильтрами — системами из нескольких колебательных контуров. Способность выделять полезный сигнал из массы мешающих у них намного выше. Расчеты показывают, что для выделения полезного сигнала из посторонних сигналов и помех нужно как минимум 5-10 контуров. Сделать их все перестраиваемыми по частоте в приемнике прямого усиления очень и очень сложно — ведь настройки контуров в любой точке диапазона должны точно совпадать! Есть и другие трудности, связанные с неравномерностью усиления усилителя радиочастоты (УРЧ) по диапазону, с изменением его полосы пропускания и т.д.
По этим причинам во всех промышленно выпускаемых приемниках используют супергетеродинную схему радиотракта (рис. 24,а). Главной ее особенностью является преобразователь частоты, установленный на входе. Элементы настройки приемника (обычно двухсекционный КПЕ) есть только в преобразователе, задача которого — привести все частоты принимаемых радиостанций к единой, стандартизованной промежуточной частоте (ПЧ). Для AM приемников значение ПЧ выбрано равным 465 кГц в отечественных и 455 кГц в зарубежных конструкциях. ПЧ лежит в неиспользуемом для радиовещания промежутке между диапазонами ДВ и СВ.
Для преобразования частоты нужен гетеродин — встроенный в приемник маломощный генератор, частота которого отличается от принимаемой на значение ПЧ, обычно в большую сторону.
Другой элемент преобразователя — смеситель, на который поступают принимаемый сигнал и сигнал местного гетеродина. Преобразование частоты происходит по закону: f(пч) = f(гетеродина) — f(сигнала). В самых простых приемниках функции смесителя и гетеродина объединяют и преобразователь зачастую выполняют на одном транзисторе. В приемниках же с высокими параметрами обязательно используют отдельный гетеродин.
Приведя сигналы любой станции к единой ПЧ, мы можем хорошо отфильтровать сигнал многоконтурным фильтром (ФПЧ) — ведь все его контуры будут иметь фиксированную настройку. Более того, промышленность освоила выпуск пьезокерамических фильтров, в которых контуры заменены резонаторами из пьезокерамики. Например, фильтр типа ФП1П имеет семь резонаторов и занимает объем менее кубического сантиметра! Высокая селективность супергетеродина сохраняется на любой частоте, независимо от диапазона.
Отфильтрованный сигнал ПЧ поступает далее на усилитель ПЧ, а затем детектируется.
На фиксированной ПЧ легче получить стабильное и высокое усиление, поэтому чувствительность супергетеродина, как правило, выше, чем у приемников прямого усиления.
Наряду с достоинствами, у супергетеродина есть и недостатки. Главный из них — наличие побочного канала приема на частоте f(гетеродина)+f(пч). Этот канал приема называют зеркальным, поскольку он расположен симметрично с основным относительно частоты гетеродина (рис. 24,6).
Ослабить прием по зеркальному каналу может только входной контур или фильтр, поэтому в супергетеродине перестраивать по частоте приходится как минимум два контура — входной и гетеродинный. Особенно трудно подавить зеркальный канал на коротких волнах, где селективности одиночного входного контура обычно недостаточно.
—