Kvant. Модуляция

Зильберман А. Р. Модуляция и модуляторы //Квант. — 1989. — № 9. — С. 48-51.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Рис. 1. Получение электрического сигнала звуковой частоты. Этот сигнал имеет вид u(t) = U₀ cos Ωt, где U₀ — амплитуда, Ω — частота колебаний (начальная фаза в данном случае не важна — подумайте, почему,— и ее принимают равной нулю).

Рис. 2. Схема получения колебаний несущей частоты. Колебания происходят по закону u(t) = V₀ cos (ωt + φ₀), где V₀ — амплитуда, ω — частота, φ₀ — начальная фаза колебаний (здесь мы уже не можем взять φ₀ = 0, хотя для радиоприема это и не важно).

Для передачи сигналов на большие расстояния обычно используют радиоволны. Их легко излучать и принимать, на них можно «наложить» любую информацию, выбор диапазонов длин волн очень широк — от сотен и тысяч метров до миллиметров (а для специальных случаев — и короче). Все это позволяет решать самые разные задачи — от вещания на весь мир до работы местных программ, которые не создают помех соседним областям. В последние годы широко используются спутники связи — но это тема для отдельного разговора.

Разберемся подробнее в процессах радиопередачи и радиоприема. Для этого посмотрим, какие превращения претерпевает звуковой сигнал на пути от исполнителя до радиослушателя.

Начинается все с преобразования звуковых (механических) колебаний — тех звуков, которые мы произносим и слышим,— в электрические сигналы. Это делается при помощи микрофона. В самом распространенном на практике микрофоне — динамическом — звуковые волны вызывают колебания мембраны, к которой прикреплена катушка, помещенная в поле постоянного магнита. При движении катушки в ней возникает ЭДС индукции — тот электрический сигнал, который нам нужен. Обычно действующее значение напряжения от микрофона очень мало — доли милливольта, и его усиливают в несколько тысяч раз при помощи электронной схемы. В усиленном виде сигнал уже годится для передачи по проводам, а для радиопередачи его нужно продолжать преобразовывать. (Для телефонной связи усиление сигнала слишком дорого и сложно, там используют микрофоны другого типа — угольные, позволяющие обходиться вовсе без усилителей, однако качество звукопередачи при этом ниже всякой критики — каждый из вас, наверное, мог в этом убедиться сам.)

Итак, электрический сигнал получен. Рассмотрим простой случай — перед микрофоном звучит камертон и громкость звука со временем не меняется; тогда»электрический сигнал представляет собой гармонические колебания низкой (звуковой) частоты Ω (рис. 1).

Теперь поговорим о «переносчике» сигнала — о колебаниях высокой частоты ω. Их дает генератор незатухающих колебаний (рис. 2). Несущая частота ω выбирается во много раз выше звуковой частоты Ω передаваемого сигнала. Для примера — камертон обычно дает Ω = 2770 с^-1, при передаче на средних волнах ω ≈ 6·10⁶ с^-1.

Для передачи электрического сигнала звуковой частоты его нужно «заложить» в какой-нибудь параметр высокочастотных колебаний — в амплитуду, частоту или фазу (или в их комбинации). Иными словами, выбранный параметр нужно изменять (модулировать) в соответствии с передаваемым сигналом. Главное требование при этом — чтобы преобразование было обратимым и при приеме можно было легко восстановить переданный сигнал.

Рис. 3. Так (условно, конечно) можно изобразить сигналы с амплитудной (а) и частотной (б) модуляцией.

Рис. 4. Схема получения амплитудно-модулированного сигнала, имеющего вид u(t) = V₀ (1 + αU₀ cos Ωt) cos (ωt + φ₀), где α — постоянная величина, называемая глубиной модуляции.

Обычно применяют амплитудную, частотную или фазовую (возможны и более сложные комбинированные виды) модуляцию (рис. 3). Проще всего использовать амплитудную. При этом передаваемый в «эфир» сигнал — его называют амплитудно-модулированным — получают, например, изменяя напряжение питания генератора незатухающих колебаний в такт с сигналом звуковой частоты. Но можно обойтись и совсем простыми средствами — включить в провод, идущий от генератора незатухающих колебаний к передающей антенне, обычный угольный микрофон (рис. 4). Если перед ним говорить, то сопротивление микрофона будет меняться, в такт с ним будет изменяться "рек в антенне, и мы получим нужную нам амплитудную модуляцию. На заре радиосвязи именно так и поступали радиолюбители, которые хотели перейти от работы «морзянкой» к передаче речи. Конечно, этот способ годится только для маломощных устройств и качество такой передачи будет не очень хорошим.

Обратное преобразование амплитудно-модулированных сигналов на приемной стороне производится при помощи амплитудного детектора — простой схемы, содержащей полупроводниковый диод (рис. 5). Собственно, именно простота такого детектора и есть главное достоинство амплитудной модуляции. Этот вид модуляции используют для радиовещания в диапазонах длинных, средних и коротких волн. Используют его и для передачи телевизионных сигналов, но только вместе с другими видами модуляции. Поговорим немного и о них.

Рис. 5. Простейшая схема демодуляции (детектирования) амплитудно-модулированного сигнала.

Рис. 6. Схема получения частотно-модулированного сигнала, который можно представить в виде u(t) = V₀ cos (ω₀ (1 + βU₀ cos Ωt) t + φ₀), где β — постоянная величина, называемая индексом частотной модуляции.

Большое распространение получила частотная модуляция. При этом способе радиопередачи сигнал низкой частоты «заложен» в значение мгновенной частоты передатчика (мгновенной — потому что она теперь не остается постоянной, а меняется в такт с низкочастотным сигналом). Такую модуляцию тоже легко осуществить «домашним» способом — для этого удобно применить микрофон так называемого конденсаторного типа (рис. 6). Это очень простой (по идее, а не для практического изготовления!) прибор. Он состоит из тончайшей металлизированной мембраны, которая является одной из обкладок плоского конденсатора, и самой обычной пластины — второй обкладки. Мембрана колеблется в такт с колебаниями воздуха, и соответственно меняется емкость конденсатора — вот и все. Мембрану несложно сделать совсем легкой, поэтому такой микрофон может обеспечивать превосходное качество преобразования звукового сигнала в электрический. Для нашей цели конденсаторный микрофон подключают параллельно конденсатору контура генератора незатухающих колебаний, и изменение емкости микрофона дает необходимый эффект модуляции. Так можно изготовить простой и вполне качественный радиомикрофон, работающий в диапазоне УКВ, а сигналы его можно принимать обычным УКВ ЧМ приемником («УКВ» — ультракороткие волны, «ЧМ» — частотная модуляция).

Самое сложное при таком способе модуляции — это демодуляция (детектирование). Ее можно делать, например, так: используем колебательный контур, настроенный немного неточно — на несколько десятков килогерц в сторону от частоты сигнала передатчика (от среднего значения частоты). Тогда при подаче нашего сигнала на контур амплитуда начнет меняться в такт с изменениями частоты (мы «ходим» по резонансной кривой контура), т. е. частотная модуляция вызывает амплитудную, а в таком случае уже подходит обычный амплитудный детектор. На практике поступают почти так, только вместо контура используют более сложную колебательную систему, у которой, в отличие от простого колебательного контура, зависимость амплитуды от частоты получается почти линейной. Впрочем, в последнее время применяют и куда более сложные электронные схемы, дающие более высокое качество, а главное — значительно большую устойчивость к воздействиям помех.

Частотную модуляцию используют для передачи звуковых программ в диапазоне УКВ, в частности — для передачи звука в телевидении, а также для передачи сигналов, несущих информацию о цвете в применяемой в нашей стране системе SECAM. В других распространенных системах (PAL, NTSC) для передачи информации о цвете применяют фазовую модуляцию. Поэтому блоки выделения цветовой информации в перспективных ТВ-приемниках предусматривают работу по любой из систем, причем переключение режимов работы легко можно сделать автоматическим.