Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Беседа четырнадцатая ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Незнайкин. — В мой день рождения родители сделали мне подарок, который привел меня в восторг: чудесный переносный радиоприемник довольно больших размеров. Он имеет три диапазона: ДВ, СВ и УКВ. Третий диапазон обозначен буквами ЧМ, смысла которых я, по правде говоря, не понял, а на шкале для настройки обозначены частоты от 65,8 до 73 МГц. Я рассчитал, что эти частоты соответствуют волнам длиной от 4,56 до 4,11 м. Это ужасно узкий диапазон. И тем не менее мне удалось принять передачи нескольких станций. Самое любопытное то, что эти передачи отличаются изумительной чистотой звучания.

Любознайкин. — Буквы ЧМ обозначают, что передачи в этом диапазоне ведутся с частотной модуляцией. По сравнению с амплитудной модуляцией (AM), используемой на длинных и средних волнах, частотная модуляция обеспечивает более высококачественное воспроизведение принимаемых программ.

Но прежде чем приступить к объяснению, я хочу отметить, что диапазон, в котором ведутся передачи с ЧМ, совсем не так узок, как ты сказал.

Н. — Мой дорогой друг, я достаточно силен в математике, чтобы утверждать, что интервал между 4,11 и 4,56 составляет всего-навсего 45 см. Тогда как диапазон СВ простирается от 185 до 580 м, что составляет почти 300 м. Я уже не говорю о диапазоне ДВ, растянувшемся на 800 м.

Л. — Мне хотелось бы, чтобы ты иначе рассматривал длину волн. Давай произведем некоторые расчеты.

Помнишь, что объяснял мой дядюшка относительно ширины полосы частот при AM? Полоса передаваемых звуковых частот ограничена 4500 Гц. Она образует по обе стороны несущей волны полосы модуляции шириной 4500 Гц. Это означает, что каждая передача с AM занимает в общей сложности полосу частот шириной 9 кГц.

Н. — Я помню. По этой причине частоты несущих волн передающих станций разнесены на 9 кГц.

Л. — Совершенно верно. Сможешь ли ты подсчитать, сколько станций с разнесенными таким образом частотами может уместиться в диапазоне ДВ, занимающем полосу частот от 150 до 350 кГц?

Н. — Рассчитать легко. Ширина диапазона составляет 200 кГц. Разделив эту величину на 9 кГц, я определил, что в этом диапазоне волн могут работать 22 передатчика.

Л. — А теперь проделай эти же расчеты для диапазона СВ, частоты которого находятся в пределах от 500 до 1650 кГц.

Н. — Хорошо. Здесь располагаем полосой 1150 кГц. Если я разделю это число на 9, то получу почти 128. Вот какое количество станций может одновременно работать в диапазоне СВ на различных частотах несущих волн.

А теперь и без просьбы с твоей стороны я проделаю эти же расчеты для диапазона ЧМ, имеющего частоты от 65,8 до 73 МГц. Ширина диапазона равна 7,2 МГц, или 7200 кГц. Деление этого числа на 9 дает 800. Просто чудовищно! Я никогда бы не подумал, что на этом пространстве в 45 см можно разместить такое большое количество передатчиков, частоты которых различаются между собой на 9 кГц.

Л. — На самом же деле, дорогой Незнайкин, в этом интервале может уместиться лишь несколько больше 20 передатчиков с ЧМ, имеющих разные несущие частоты. Дело в том, что они должны разноситься уже не на 9, а на 300 кГц.

Н. — Почему такой чудовищный разнос? Неужели ширина каждой боковой полосы достигает 150 кГц? Ведь диапазон слышимых частот не превышает 20 кГц.

Л. — Это верно, но в ЧМ отклонения частоты от несущей определяются не частотой модулирующих звуков, а их амплитудой. И когда амплитуды очень велики, частоты отклоняются на 100 кГц по обе стороны от несущей. Таким образом, общая полоса, занимаемая каждым передатчиком, достигает 200 кГц. И чтобы избежать интерференции между волнами двух передатчиков, предпочитают разнести их несущие на 300 кГц.

Н. — Одним словом, несмотря на этот чудовищный разнос, можно иметь несколько больше 20 передающих станций с длиной волны в пределах от 4,11 до 4,56 м.

Л. — На практике же их значительно больше. Ведь можно иметь несколько передатчиков с одной и той же несущей частотой. Нужно только, чтобы они были расположены достаточно далеко друг от друга. Ты же знаешь, что дальность распространения метровых волн весьма ограничена. Она не превышает сотни километров.

Н. — Да, я вспоминаю, что эти волны ведут себя подобно световым. Они распространяются прямолинейно и не отражаются ионосферой, как это происходит со средними волнами, которые благодаря этому могут обнаруживаться на больших расстояниях.

Н. — В самом деле, метровые волны легко проникают в ионосферу, где и поглощаются. Для обеспечения достаточной дальности распространения необходимо антенну располагать как можно более высоко. Так, например, в Париже три программы ЧМ передаются антеннами, установленными на вершине Эйфелевой башни.

Н. — Не можешь ли ты объяснить мне теперь, в чем заключается принцип ЧМ и какими преимуществами обладает она по сравнению с AM?

Л. — При ЧМ амплитуда несущей волны не изменяется. В зависимости от мгновенных значений передаваемых звуковых сигналов изменяется частота излучаемых волн, а величина этих частотных изменений определяется амплитудой сигналов НЧ (рис. 164).

Рис. 164. Модулирующий сигнал низкой частоты (а) и модулированный по частоте ток высокой частоты — его амплитуда остается неизменной (б).

Н. — Именно это и объясняет чудовищную ширину боковых полос модуляции, которые, как ты мне сказал, могут достигать 100 кГц.

Л. — Разумеется, и благодаря этому можно получить очень высокое соотношение между фортиссимо и пианиссимо передаваемых звуков.

Н. — Почему? Ведь при AM можно иметь удвоенные амплитуды, а на другом конце волны амплитуды почти равны нулю.

Л. — Эта последняя возможность… невозможна. Нельзя чрезмерно снижать амплитуду волн, так как они должны оставаться выше уровня фонового шума.

Н. — Что ты так называешь? Не своеобразный ли свист, слышимый в приемнике при отсутствии передачи?

Л. — Точно. Это вызывается целым комплексом внутренних и внешних факторов. Во-первых, существуют атмосферные и промышленные помехи; во-вторых, в самом приемнике (в полупроводниковых приборах и в резисторах) наблюдается тепловое движение, порождающее этот свист, уровень которого должны превосходить даже самые слабые ноты передаваемой музыки. Это означает, что соотношение между самыми сильными и самыми слабыми звуками, передаваемыми с AM, относительно ограничено (рис. 165).

Рис. 165. При AM пределы модуляции ограничиваются удвоенной амплитудой немодулированной волны по максимуму и внутренними шумами (по минимуму).

Н. — А каково наибольшее соотношение между фортиссимо и пианиссимо оркестра, когда мы его слушаем в зале?

Л. — Оно может достигать десяти тысяч. Даже при ЧМ при приеме нельзя воспроизвести такого высокого соотношения. Однако удастся получить вполне достаточное соотношение в громкости звуков.

Итак, подведем итоги: ты видишь, что модулированная по частоте волна имеет постоянную амплитуду. Ее частота изменяется в соответствии с частотой модулирующих сигналов. Если, например, используются сигналы с частотой 1000 Гц, то частота излучаемой волны изменяется 1000 раз в секунду. А размах этих изменении частоты зависит от амплитуды модулирующих сигналов.

Н. — Если я правильно понял, здесь частота передаваемых звуковых сигналов не ограничена полосой 4500 Гц, как при AM.

Л. — Разумеется. И именно в этой ширине передаваемой полосы частот, а также в неограниченном соотношении их амплитуд заключайся несомненное превосходство ЧМ над AM. Кроме того, стабильность амплитуды волн обеспечивает прекрасный коэффициент полезного действия (к. п. д.) передатчиков.

Н. — Как осуществляют в передатчике модулирование несущей волны по частоте? Я предполагаю, что здесь нужно изменять настройку колебательного контура генератора высокой частоты.

Л. — Твое предположение логично и справедливо. А ты знаешь, от чего зависит частота настройки этого контура?

Н. — Разумеется. От величины его индуктивности и емкости. Но как удается изменять их в зависимости от токов НЧ?

Л. — Изменяют емкость. Для этой цели можно даже сделать микрофон в виде конденсатора, одна из обкладок которого жесткая, а другая достаточно эластичная, чтобы вибрировать под воздействием звуковых волн (рис. 166).

Рис. 166. Для осуществления ЧМ можно использовать в качестве микрофона конденсатор, емкость которого изменяется под воздействием звуковых волн и тем самым заставляет изменяться частоту передатчика.

Однако такой микрофон страдал бы недостаточной верностью воспроизведения звуков. Поэтому используют схемы, в которых внутренняя емкость между двумя электродами электронной лампы изменяется под воздействием напряжений НЧ, приложенных к ее управляющей сетке. Схему этого устройства я рисовать не буду.

Н. — А нельзя ли для этой цели использовать полупроводниковые приборы?

Л. — Можно, так как существуют полупроводниковые диоды, представляющие собой настоящие конденсаторы. Если к ним приложить напряжение в направлении, противоположном тому, в котором они пропускают ток, то переход выполняет роль диэлектрика, разделяющего две обкладки конденсатора. Однако в зависимости от величины приложенного напряжения переход становится более или менее «тонким», что изменяет емкость этого оригинального конденсатора. Чем выше напряжение, тем «толще» становится переход, и меньше емкость.

Н. — Следовательно, если на такой диод подать создаваемые микрофоном напряжения НЧ (рис. 167) и если диод-конденсатор является частью колебательного контура генератора ВЧ передатчика, можно осуществить ЧМ, не так ли?

Рис. 167. Диод Д под воздействием микрофонных сигналов изменяет частоту колебательного контура.

Л. — Я констатирую, что ты прекрасно понял принцип частотной модуляции, и поздравляю тебя с успехом.

Н. — Но я спрашиваю себя, не обладает ли этот диод переменной емкости другими способностями, помимо осуществления ЧМ? Нельзя ли его использовать для настройки контуров вместо классического конденсатора переменной емкости с вращающимися обкладками? В этом случае было бы достаточно поставить потенциометр, позволяющий регулировать напряжение, которое нужно было бы подать на диод, включенный в контур настройки приемника (рис. 168). Не сказал ли я какой-нибудь глупости?

Рис. 168. Диод Д, включенный в противоположном его проводимости направлении, выполняет роль конденсатора, емкость которого изменяется в зависимости от напряжения и таким образом изменяет настройку контура.

Л. — Совсем нет. Такие диоды переменной емкости действительно используют для настройки на очень высоких частотах, но только в некоторых приемниках, объем которых должен быть очень небольшим. Основная же область их применения — схемы с автоматической настройкой. Так называют приемники, в которых достаточно приблизительно настроить приемник на частоту принимаемой станции и дальнейшая настройка производится самим приемником автоматически. Для этой цели диод переменной емкости включают параллельно конденсатору настройки и подают на него напряжения, которые, изменяя емкость, обеспечивают точную настройку.

Н. — Это в известной мере средство, позволяющее упростить управление приемником. Но я хотел бы знать, как работает приемник, позволяющий принимать передачи с ЧМ.

Л. — Я объяснил тебе принципы передачи. Сегодня уже слишком поздно, чтобы продолжать нашу беседу. Поэтому я предоставляю моему дядюшке возможность заняться этой проблемой.