Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2002 № 05
Рис. 4
Г.ТУРКИНА
Рисунки А.Ильина
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Принципы радиопередачи
Чтобы съесть яблоко, необязательно знать, как выглядит дерево, на котором оно растет. Вот так же и радиоприемник. Его можно слушать, не зная, как он работает. Что касается ботаники, тут мы объясняться не станем. Радио — иное дело.
В Москве по современному дорогому и хорошему по качеству звука приемнику можно слушать только Москву. (Станции Америки и Европы, например «Голос Америки» и «Свобода», ретранслируются станциями из ближнего Подмосковья.) А между тем по старенькому «Океану», «Спидоле» или по допотопно-ламповому «Фестивалю» можно слушать Париж, Лондон, всю Скандинавию — целый мир. Куда же завел нас прогресс? А вот еще вопросы.
Почему телевидение передается не на СВ и КВ, легко пересекающих океаны, а на ограниченных линией горизонта УКВ?
Почему в эфире не всем хватает места? Вспомните, какие громадные деньги платят телеканалы за частоту!
Ведь казалось бы, частота радиосигнала нечто придуманное человеком от большого ума. Частот должно быть не меньше, чем точек на линии. Тогда каждому жителю Земли можно было выделить свой телеканал. Мало того, можно было бы ловить передачи с Марса, из других галактик…
Но все эти «здравые» рассуждения разбиваются о единственный факт. Передать на какой-то одной частоте ничего нельзя. Точнее, можно, но лишь при условии, что для этого отведена вечность. Для любой передачи нужен целый набор частот.
Рассмотрим передачу звуков методом амплитудной модуляции (AM).
Вспомним, амплитуда колебаний соответствует громкости звука, а частота — высоте тона. Посмотрите при случае осциллограмму музыки. Довольно красивое чередование извилистых линий. Все это бесконечно развивающийся график зависимости напряжения от времени. Приглядевшись, можно усмотреть в них и дух музыкального произведения. Некоторые звуки, например, свист, чистая музыкальная нота, дают колебания, близкие к синусоидальным. Большинство же звуков дают колебания, более сложные по очертанию. Но их можно представить в виде суммы простых синусоид разных частот. (Не только осциллограмму звука, но и вообще любую линию можно разложить на отдельные синусоиды. Из них же ее можно составить вновь.) Зная набор частотных составляющих, говорят о спектре колебания.
Спектр нашего голоса содержит частоты примерно от 300 Гц до 3…4 кГц. Для хорошего воспроизведения музыки нужен спектр 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.
Радиовещательные станции в диапазонах ДВ — КВ работают методом амплитудной модуляции. Посмотрим, что при этом происходит.
Возьмем генератор, стабилизированный кварцем. Ни одна сила в мире, в том числе изменение напряжения питания, не способна изменить его частоту более чем на 0,001 %. Подадим напряжение на усилитель. А усилитель будем питать постоянным напряжением, на которое наложено напряжение чистого тона звуковой частоты (рис. 1).
Тогда амплитуда высокочастотного напряжения будет меняться в такт с ним.
На экране осциллографа мы увидим, что на амплитуду высокочастотных колебаний генератора наложена и как бы огибает ее звуковая частота. Но генератор продолжает работать на своей прежней частоте. А то, что мы видели на экране осциллографа, не что иное, как графический результат действия синусоидального напряжения генератора на синусоидальное напряжение звуковой частоты.
Из тригонометрии нам известно, что произведение синусов двух разных аргументов раскладывается на сумму двух синусов: синуса суммы двух аргументов и синуса разности двух аргументов. Поэтому в дополнение к частоте генератора возникают две новые частоты.
Одна из них равна сумме звуковой частоты и частоты генератора, а другая их разности. Спектральная диаграмма сигнала, получаемого в этом случае, показана на рисунке 2.
Слева на ней в виде вертикальной линии показана звуковая частота F, в середине — так называемая несущая частота f. Это неизменная по амплитуде частота генератора. Сама несущая информации не несет, но на ее создание расходуется 90 % энергии передатчика. Отметим сей факт и поговорим о нем в следующий раз. По бокам от несущей еще две частоты: суммарная f + F и разностная f — F. Их так и называют: боковые частоты, верхняя и нижняя. При отсутствии модуляции боковых частот нет.
Что же получится, если модулировать несущую не чистым тоном, а целым спектром звуковых частот речи или музыки?
Каждая компонента звукового спектра образует свою пару боковых частот. Образуется сложный спектр модулированного сигнала, содержащий несущую, верхнюю и нижнюю боковые полосы, как показано на рисунке 3.
Верхняя боковая полоса в точности соответствует спектру звуковых частот, но смещена по частоте вверх на величину несущей.
Нижняя боковая полоса так же точно отображает спектр звуковых частот, но по порядку их расположения является зеркальным отражением верхней.
Когда говорят, что радиостанция работает на такой-то частоте, например «Маяк» — 198 кГц, то это частота ее несущей. Сигнал радиостанции занимает не только одну эту частоту, но и некоторую полосу частот вокруг. По нашим стандартам при радиовещании в диапазоне ДВ и СВ могут передаваться звуки с частотой до 10 кГц. Такую же ширину, равную 10 кГц, имеет каждая боковая полоса. Полная ширина спектра частот сигнала радиостанции составляет 20 кГц.
Чтобы не мешать друг другу, радиостанции должны иметь несущие частоты, различающиеся не меньше чем на 20 кГц. Аналогичная ситуация и в других диапазонах.
В эфире тесно. Если музыка и речь могут передаваться полосой частот 10–20 кГц, то телевидению нужно 5–6 МГц. Во всем диапазоне от ДВ до КВ удалось бы разместить только два вещающих на весь мир телеканала. Это никого не устраивает. Потому на волнах длиннее десяти метров (ДВ, СВ, КВ), способных огибать земной шар, разместили несколько тысяч радиовещательных станций, а телевидению отвели УКВ.
Теперь, зная, что радиопередача занимает определенную полосу частот, можно понять, как образуются помехи радиоприему.
Если несущие двух станций отличаются меньше чем на 20 кГц, то их боковые полосы перекрываются и становятся одновременно слышны при приеме. Поэтому каждой станции отводится частота в соответствии с международными соглашениями. Предусмотрены в них и специальные диапазоны для работы любителей.
Включите приемник, щелкните выключателем от настольной лампы — услышите щелчок. Перестройте приемник на другой диапазон — результат тот же. Крохотная искра комнатного выключателя создает помеху в полосе частот шириною десятки МГц. Что же говорить о молнии! Слыша в приемнике треск, быть может, вы слышите отзвук грозы на другом берегу океана.
Поднесите приемник к телевизору или компьютеру — он противно загудит. По вечерам, особенно на ДВ и СВ, слышен отвратительный треск — «хор» от работы телевизоров, компьютеров и различных промышленных установок. Насколько вредны для человека волны, излучаемые домашними электроприборами, тема особого разговора.
Как защитить приемник от помех? Если они попали в пределы полосы частот принимаемой станции, то сделать это очень трудно. Правда, во многих случаях они достаточно слабы и не мешают приему. Гораздо страшнее то, что приемник конструктивно не совершенен. Он нередко принимает и другие частоты, далеко выходящие за пределы полосы частот принимаемой станции. Но если станция мощная, то и это не страшно. Она заглушает помехи и прекрасно слышна по самому примитивному по конструкции своей высокочастотной части приемнику.
Именно такие (и никакие другие!) приемники сегодня имеются в широкой продаже. А старые приемники делались по возможности так, чтобы частоты, выходящие за пределы полосы, излучаемой станцией, не принимать. Достигалось это применением сложных схем с большим числом контуров. По тем приемникам мы слушали «Голос Америки», вещавший из Франкфурта-на-Майне.
Но сегодня в крупных городах России, СНГ и Восточной Европы открылись новые радиостанции. Есть что послушать из Скандинавии, а если повезет, то и с другого берега океана. Некоторые любители даже слушают «передачи» — естественные шорохи и треск с Солнца и Юпитера. Постепенно и вам все это станет возможно, поскольку вы теперь понимаете основные принципы радиопередачи.
В.ПОЛЯКОВ, профессор
ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ
