Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
Огромное количество радиостанций чрезвычайно затрудняет высококачественное радиовещание в АМ диапазонах. Тесное размещение их частот приводит к тому, что спектры боковых полос перекрываются. Вы, конечно, помните, как выглядит спектр излучаемых радиостанцией частот при амплитудной модуляции. Несущая станции имеет частоту f0. Верхняя боковая полоса простирается до частоты f0 + Fв, а нижняя — до f0 + Fв, где Fв– наивысшая звуковая модулирующая частота. Отечественные радиостанции передают спектр звуковых модулирующих частот до Fв = 10 кГц. Поэтому даже при сетке частот станций с интервалом 9 кГц их боковые полосы сильно перекрываются. Если две
Спектр сигнала радиовещательной станции при AM.
Проблема помех в какой-то мере решается при сужении полосы пропускания приемника до 4.6 кГц. Низкочастотные составляющие звукового спектра имеют большую амплитуду, чем высокочастотные, что отображено на рисунках условными треугольниками. Поэтому «вырезая» приемником несущую и прилегающую к ней часть спектра боковых полос, мы существенно уменьшаем помехи. Часто имеет смысл настроить приемник не по центру спектра желаемой станции, а чуть-чуть сбоку, со стороны наиболее «чистой» от помех боковой полосы. Это и расширит спектр воспроизводимых боковых полос, и уменьшит помехи. Недостаток узкой полосы пропускания приемника очевиден — мы теряем верхние частоты звукового спектра и тем самым ухудшаем качество приема.
При существующем распределении частот спектры двух соседних по частоте радиостанций с AM перекрываются.
Другие возможности улучшения качества радиовещания в диапазонах ДВ, СВ и КВ состоят в коренной его перестройке. Как мы с вами видели, амплитудная модуляция была предложена на заре радиотехники как самое простое и очевидное решение. Теперь мы много знаем, создали теорию информации, можем сравнивать различные системы передачи по эффективности, помехоустойчивости и другим параметрам. И что же оказалось? Амплитудная модуляция — это самый неэффективный и, я бы сказал даже, расточительный вид модуляции! Подтвердим сказанное простым расчетом. Коэффициент модуляции при реальной речевой или музыкальной передаче в среднем не превосходит m = 0,3, или 30 %. Это необходимо для того, чтобы на пиках сигнала (при наиболее громких звуках) не возникало перемодуляции, приводящей к искажениям. Амплитуда каждой из боковых полос составляет m/2, или 0,15 амплитуды несущей, а мощность равна 0,0225 мощности несущей. Это означает, что только 5 % мощности излучаемого AM сигнала несут полезную информацию, содержащуюся в двух его боковых полосах. Остальные 95 % мощности приходятся на несущую, которая никакой информации не несет. Получается парадокс: мы строим мегаваттные радиостанции, а их мощность бесполезно теряется в пространстве.
Разумеется, несущая нужна для работы детектора в приемнике, но не слишком ли дорого и расточительно передавать ее через эфир? Ведь несущую можно генерировать и в самом приемнике с помощью маломощного гетеродина. И мы возвращаемся к идее синхронного приема, выдвинутой еще в 20-х годах.
Синхронный прием не внедрен до сих пор. Хотя были и замечательные исследователи и замечательные разработки. Наш талантливый ученый К. Г. Момот с группой сотрудников занимался этим вопросом еще в 30-е годы. Его книга «Проблемы и техника синхронного приема» не потеряла актуальности и в наши дни.
Любопытна судьба этой книги. Подписанная к выпуску в 1941 году рукопись осталась в блокадном Ленинграде, и все ее экземпляры считались погибшими. Случайно сохранившийся сигнальный экземпляр был обнаружен лишь после войны. Книгу издали в 1961 году без всяких изменений, и сейчас она снова стала библиографической редкостью. А проблемы «упорядочения эфира», перехода на передачу с одной боковой полосой, поставленные в ней существуют и сегодня.
Распределение
Международный консультативный Комитет по радио в Женеве принял рекомендации о внедрении однополосного радиовещания.
Что же это такое? Станции будут излучать не весь спектр AM сигнала, а лишь одну боковую полосу. Ведь она содержит всю информацию о передаваемой программе. Причем удобно, размещая спектры станций в эфире, чередовать их нижние и верхние боковые полосы, что позволит вдвое увеличить интервал между несущими.
Собственно, на одной несущей будут работать как бы две станции, передающие различные боковые полосы. Передача таким способом названа передачей с независимыми боковыми полосами и частично подавленной несущей. Для приема понадобится особый приемник, оснащенный встроенным гетеродином несущей и очень эффективными фильтрами, позволяющими «вырезать» из принимаемой массы сигналов лишь одну желаемую боковую полосу. Нелишне заметить, что все описанные технические решения уже давно и очень успешно используются в профессиональной радиосвязи.
Структурная схема супергетеродина для приема сигналов с независимыми боковыми полосами и частично подавленной несущей.
Начиная с 50-х годов проблема обеспечения населения высококачественным радиовещанием решается и другим путем путем — развития сети УКВ станций. Ультракороткие волны не отражаются ионосферой и распространяются лишь в пределах прямой видимости. Следовательно, одна УКВ станция может обслужить территорию района (максимум — области) радиусом, скажем, 50…70 км. Казалось бы, это не очень хорошо. Но УКВ диапазон имеет другое важное преимущество — громадную частотную емкость. Отведенный для радиовещания в СССР диапазон 65,8… 73 МГц мог бы вместить 800 AM каналов с разносом частот в 9 кГц. Но АМ неэффективна и потому на УКВ не используется. Применяют более эффективный вид модуляции — частотную, или ЧМ. При такой модуляции в такт со звуковым сигналом изменяется частота излучаемых колебаний, а амплитуда их остается неизменной. Максимальная девиация (отклонение) частоты установлена равной ±50 кГц. Ширина излучаемого станцией спектра при этом превосходит 100 кГц. Разместить столь широкополосные спектры в диапазонах ДВ, СВ или даже КВ, разумеется, невозможно.
Частотная модуляция имеет много важных преимуществ. Во-первых, спектр модулирующих частот (звуковых) удалось расширить до 15 кГц. Это резко повысило качество приема. Во-вторых, и это особенно важно, при ЧМ происходит как бы обмен ширины спектра сигнала на отношение сигнал-шум, т. е. при детектировании относительно «зашумленного» ЧМ сигнала получается сравнительно «чистый» звуковой сигнал. Помехи естественного (грозовые разряды) и искусственного происхождений, особенно импульсного характера, хорошо подавляются приемником сигналов с ЧМ. Все это, вместе взятое, позволяет получать отношение сигнал-шум на выходе приемника примерно 50…70 дБ, что обеспечивает высококачественное радиовещание.
Частотная модуляция.
Не испугал ли я вас сухими цифрами? На деле это выгладит так: настраиваем приемник на радиостанцию в диапазоне ДВ или СВ. Слышно хорошо, но вместе с передачей прослушивается и шум, а верхних звуковых частот нет (звон колокольчика или тонкий писк просто не воспроизводится). Иное дело в диапазоне УКВ: верхние частоты в воспроизводимом спектре есть, а шума почти не слышно. Слушатели в таких случаях говорят, что передача «идет очень чисто».
Радиовещание на УКВ вполне оправдано в густонаселенных районах. В Москве, например, передачи одной УКВ станции могут одновременно слушать десять миллионов человек!
Следующий шаг в развитии радиовещания — переход к стереофоническим передачам. Согласитесь, что не очень естественно, когда звучание целого оркестра исходит из одной точки — громкоговорителя. Чтобы полностью передать звуковую панораму реальной сцены, необходимо несколько (чем больше, тем лучше) микрофонов, несколько независимых трактов передачи и несколько громкоговорителей. Разумеется, это очень сложно и дорого. Но даже при двух микрофонах и двух громкоговорителях, т. е. при стереофонической системе, получается существенное повышение качества передачи. Такая система и принята сейчас повсеместно. Более сложные системы, например квадрофоническая, распространения не получили, поскольку примерно двукратное усложнение аппаратуры дает лишь небольшой прирост качества звучания по сравнению со стереофонической системой.