Юный техник, 2012 № 02

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Простой КВ-приемник

Мы уже говорили о радио любителях-коротковолновиках и знаем, что они проводят связи, используя радиоволны. Но как любителям удается передать посредством радиоволн телеграф и человеческую речь? И как устроено радиовещание, где передают еще и музыку?

Для передачи по радио звуковые колебания надо превратить в электрические — это делает микрофон.

Амплитуда колебаний соответствует громкости звука, а частота — высоте тона. Лишь некоторые звуки дают колебания, близкие к синусоидальным (например, свист, чистая музыкальная нота). Большинство же звуков дают сложные колебания, которые, тем не менее, можно представить в виде суммы более простых, синусоидальных колебаний, но с разными частотами.

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∙cos Ω∙t)∙cos Ω∙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) = cos Ω∙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 f₀, соответствующая первому слагаемому, а по бокам от нее еще две частоты, соответствующие остальным слагаемым, на частотах f₀ + F и f₀ — 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 f₀.

Нижняя боковая полоса (НБП) также точно отображает спектр звуковых частот, но зеркально отражает верхнюю боковую полосу относительно несущей. По-прежнему боковые полосы исчезают при отсутствии модуляции, и их суммарная мощность и возрастает до половины мощности несущей на пиках модуляции.

Теперь можно с определенностью ответить на вопрос о том, какую полосу частот занимает сигнал радиостанции. В справочниках указывают частоту несущей f₀, расположенной в середине спектра АМ-сигнала, а полная ширина полосы сигнала соответствует удвоенной верхней модулирующей частоте FB. В соответствии с отечественными ГОСТ верхняя модулирующая частота принята равной 10 кГц, следовательно, ширина спектра частот сигнала радиостанции составляет 20 кГц.

AM используют только в диапазонах длинных, средних и коротких волн. На УКВ применяется другой вид — частотная модуляция, или ЧМ. То же в иностранной литературе и в названиях импортных приемников обозначается как FM (Frequency Modulation). При ЧМ в такт со звуковым сигналом изменяется частота излучаемых колебаний, а амплитуда их остается неизменной, как показано на рисунке 4.

Девиация, или максимальное отклонение частоты при модуляции, Af установлена равной 50 кГц стандартом, по которому работают станции нижнего радиовещательного диапазона УКВ-1, и 75 кГц — стандартом CCIR для верхнего диапазона УКВ-2. Полоса модулирующих звуковых частот составляет 30 Гц — 15 кГц.

Использовать ЧМ для радиовещания предложил известный американский радиоинженер, изобретатель и радиолюбитель-коротковолновик Эдвин Армстронг еще в 30-х гг. Опытные передачи на УКВ начались в Нью-Йорке в 1939 г., антенны передатчика были установлены на крыше самого высокого тогда сооружения — небоскреба «Эмпайр Стейт Билдинг». В нашей стране радиовещание на УКВ стало развиваться с 50-х гг. В связи с наплывом импортных приемников, у нас для радиовещания отведен и «западный» диапазон УКВ-2 (88 — 108 МГц).

Спектр сигнала при ЧМ очень широк, его полосу оценивают как 2(Δf + F_B), что составляет 130–180 кГц. При модуляции чистым тоном с частотой F спектр радиосигнала содержит массу боковых частот f_o ± n∙F_B, где n = 1, 2, 3… (рис. 5). При модуляции реальным звуковым сигналом спектр еще сложнее. Такие широкополосные сигналы можно разместить только на УКВ, поскольку на низкочастотных диапазонах просто «не хватит места».

В диапазоне же, например, 88-108 Мгц можно теоретически разместить до 100 каналов ЧМ-вещания. Практически их меньше, и между соседними частотными каналами в одном населенном пункте стараются выдержать интервал не менее 400–500 кГц, учитывая несовершенство приемников.

Давным-давно и радиолюбители, и даже служебные станции использовали AM для связи на КВ! Однако быстро поняли, что AM для связи крайне неэффективна ввиду того, что мощность информационных боковых полос даже на пиках модуляции не превосходит половины мощности несущей. А в среднем коэффициент модуляции m не превосходит 0,3, и тогда мощность боковых полос получается где-то 5 % от мощности несущей. Остальные 95 % мощности тратятся впустую, бесполезно нагревая воздух и землю. Почему же не отказались от AM в радиовещании? По одной простой причине — у населения на руках более 4 миллиардов АМ-радиоприемников, и этих людей нельзя лишить возможности слушать радио. В то же время ЧМ на длинных, средних и коротких волнах использовать нельзя из-за широкого спектра излучаемых частот — станций много, и частотных полос на всех не хватит.

У связистов узкополосная ЧМ получила ограниченное распространение в диапазоне 27 Мгц.

На КВ для речевой связи стала применяться однополосная модуляция ОБП — одна боковая полоса, или SSB — single side band. Это та же AM, но из спектра сигнала исключены несущая и одна из боковых полос, например, нижняя (НБП). Оставшаяся верхняя боковая излучается в эфир. Заметьте, что спектр излучения в точности соответствует спектру звуковых частот, но перенесен на f₀ выше, в область высоких частот.

При приеме подавленную несущую необходимо восстановить, для этого используют местный генератор (гетеродин), работающий точно на той же частоте f₀, на которой должна была бы находиться несущая. Естественно, что гетеродины связного приемника (а их часто несколько для 2…3 последовательных преобразований частоты сигнала) должны иметь очень высокую стабильность частоты и плавность настройки, практически недостижимую в существующих ширпотребовских радиовещательных приемниках.

В то же время преимущества ОБП огромны — энергетический выигрыш только одного передатчика оценивают в 8…10 раз, поскольку он не излучает в паузах речи, а при разговоре перед микрофоном его излучаемая мощность пропорциональна мощности звукового сигнала.

Еще двукратный выигрыш получается при приеме, поскольку полоса пропускания телефонного ОБП-приемника выбирается 2,5…3 кГц, что вдвое уже, чем в АМ-приемнике. Соответственно, вдвое меньше шумов и помех. Так, 100-ваттный ОБП передатчик слышно примерно так же, как двухкиловаттный АМ-передатчик.

Со второй половины прошлого века неоднократно ставился вопрос о переводе всего АМ-радиовещания на ОБП, но «воз и ныне там». Очень много в развитии однополосной связи сделали радиолюбители. Они разработали исключительно простые радиоприемники, позволяющие прослушивать как телеграфные, так и однополосные передачи. Они даже проще АМ-приемников! К описанию такого приемника для начинающих мы и перейдем в следующей части нашего рассказа.

В. ПОЛЯКОВ, профессор