Юный техник, 2012 № 02 - [20]
Спектр человеческого голоса содержит частоты от примерно 300 Гц до 3–4 кГц. Для хорошего воспроизведения музыки нужен спектр звуковых частот от 50 Гц до 10–12 кГц. Вообще же человеческое ухо способно слышать в диапазоне от 16 Гц до 16 кГц, и чем ближе к этим значениям границы полосы частот всего тракта передачи, тем естественнее звучание.
Очень интересно присоединить микрофон ко входу электронного осциллографа и понаблюдать за осциллограммами произносимых звуков. Вы увидите, что звуковые колебания чаще всего далеки от синусоидальных и носят импульсный, взрывной характер, когда отдельные всплески сигнала перемежаются продолжительными периодами колебаний с малой амплитудой и паузами (рис. 1).
Рис. 1.Типичная осциллограмма реального звукового сигнала.
Звуковые колебания передаются по проводам (вспомните трансляционные линии и абонентские громкоговорители, которыми еще многие пользуются), записываются на магнитную ленту, грампластинку или компакт-диск, но их нельзя передать в эфир в виде радиоволн: волны получились бы чрезвычайно длинными и создание антенн для них практически нереально.
Для передачи звука в эфир необходимо высокочастотное несущее колебание, или просто несущая, на которую с помощью процесса модуляции накладываются звуковые, низкочастотные колебания. Простейший, и самый древний способ такого наложения — амплитудная модуляция, или сокращенно AM.
Несущая вырабатывается задающим генератором, работающим на отведенной для радиостанции частоте (рис. 2).
Его синусоидальные колебания 1 поступают на модулятор, где взаимодействуют со звуковыми колебаниями 2, образуя модулированный сигнал 3. Последний подается на усилитель мощности, а с его выхода — на антенну радиостанции. Очень часто амплитудную модуляцияю (AM) осуществляют непосредственно в усилителе мощности, изменяя напряжение питания в такт со звуковыми колебаниями.
Очевидно, что при отрицательной полуволне звукового напряжения амплитуда может упасть только до нуля, а при положительной полуволне — возрасти не более чем в два раза (иначе будет перемодуляция и искажения). Это соответствует коэффициенту модуляции (отношению амплитуды колебаний звуковой частоты к амплитуде несущей) m = 1. Это возможно только на пиках звукового сигнала, в среднем же модуляция получается мелкой, a m << 1.
Разберем теперь спектры сигналов при амплитудной модуляции. Говорят, что радиостанция работает на какой-то определенной частоте, например 549 кГц («Маяк» в диапазоне СВ). Но на самом деле сигнал радиостанции занимает некоторую полосу частот вокруг указываемой в справочниках. Для более подробного рассмотрения данного вопроса допустим, что модуляция производится чистым тоном, то есть звуковым сигналом с одной-единственной частотой F.
В этом разделе нам удобнее будет пользоваться не циклическими частотами f и F, соответствующими числу колебаний в секунду, а угловыми частотами ω и Ω, связанными с циклическими простыми соотношениями: ω = 2π∙f∙Ω = 2π∙F. Модулированный АМ-сигнал записывается в виде: s(t) = (1 + m∙cosΩ∙t)∙cosΩ∙t, где m — коэффициент модуляции, m < 1. Это выражение в точности описывает форму сигнала 3 на рисунке 1. Но его можно представить и в другой форме, раскрыв скобки и воспользовавшись известными тригонометрическими формулами для произведения двух косинусов: s(t) = cosΩ∙t + (m/2)∙cos(ω + Ω)∙t + (m/2)∙cos(ω — Ω)∙t.
Теперь мы видим, что излучается не один сигнал, а целых три, в соответствии с тремя слагаемыми этого выражения.
Спектральная диаграмма излучаемого сигнала показана на рисунке 2. Слева на ней в виде вертикальноq линии показана звуковая частота F, в середине — несущая частота f>0, соответствующая первому слагаемому, а по бокам от нее еще две частоты, соответствующие остальным слагаемым, на частотах f>0 + F и f>0 — F. Их так и называют: боковые частоты, верхняя и нижняя.
Боковых частот нет в отсутствии модуляции, когда m = 0, но они возрастают до половины уровня несущей (который для простоты рассуждений принят единичным) при полной модуляции, когда ш = 1. Мощность же каждой из боковых частот пропорциональна квадрату их амплитуды и изменяется при возрастании коэффициента модуляции от нуля до четверти от мощности несущей.
Телеграф вполне можно передавать таким способом, это будет «тональный телеграф», еще применявшийся во время Второй мировой войны и до сих пор используемый в аэродромных радиомаяках. В диапазонах СВ и ДВ они передают обычно две буквы своего позывного через небольшие интервалы времени. Но такой способ передачи телеграфа с помощью AM неэффективен, и на КВ от него отказались, используя просто манипуляцию несущей с помощью телеграфного ключа. При этом передатчик излучает гораздо более узкий спектр шириной всего несколько десятков герц (тем шире, чем выше скорость манипуляции). Модулятор и усилитель 3Ч в телеграфном КВ-передатчике не нужны. Но на радиовещательный приемник такой телеграфный сигнал уже не услышишь, нужен специальный приемник с так называемым «телеграфным гетеродином».
Вернемся к AM.
Что же получится, если модулировать несущую не чистым тоном, а некоторым спектром звуковых частот, соответствующим речи или музыке? Каждый компонент звукового спектра образует свою пару боковых частот, и получается сложный спектр модулированного сигнала, содержащий несущую, верхнюю и нижнюю боковые полосы, как показано на рисунке 3. Верхняя боковая полоса (ВВП) в точности соответствует спектру звуковых частот (ЗЧ), но смещена по оси частот вверх на интервал, соответствующий значению несущей
