В этой беседе будут рассмотрены различные ограничения, возникающие в процессе модуляции звуковыми частотами. Модуляция ограничена как по частоте, так и по глубине. Любознайкину представляется случай еще раз показать, как следует побеждать препятствия. Это приведет его к изложению основ частотной модуляции.

50 см ШИРЕ 400 м!

Незнайкин. — Я очень удручен, Любознайкин.

Любознайкин. — Чем же, дружище?

Н. — В последней беседе ты показал, насколько ограничена полоса частот, воспроизводимых в радиовещании. Я считаю недопустимым калечить таким образом музыку. Не предпочтительнее ли уменьшить количество передатчиков, расширив соответственно боковые полосы?

Л. — Это, безусловно, было бы лучше, но тут необходимо международное соглашение или поиски других технических решений.

Н. — Я не могу понять, на что ты намекаешь.

Л. — Можно расширить область используемых несущих частот передатчика и вести передачи в метровом диапазоне волн, т. е. на волнах от одного до нескольких метров. Этот диапазон значительно свободнее, и в этом случае удается не искажать музыкальные произведения.

Н. — Должен сознаться, что я не вижу, почему в этом небольшом интервале в несколько метров можно чувствовать себя свободнее, чем в обширном диапазоне средних волн от 200 до 600 м, иными словами в интервале 400 м.

Л. — Вот, бедный Незнайкин, куда приводит печальная привычка характеризовать диапазоны длинами волн. Мне жалко тебя. А попробуй-ка сосчитать в герцах.

Н. — Нет ничего проще. Волне 200 м соответствует частота 1 500 000 гц, а волне 600 м — частота 500 000 гц. Таким образом, всему диапазону соответствует интервал 1 000 000 гц.

Л. — Примем для упрощения расчетов, что для каждого передатчика отведена полоса частот (или, как говорят, канал) 10 000 гц. Сколько всего передатчиков можно разместить в этом интервале?

Н. — Очень просто: если 1000 000 разделить на 10 000, получится 100. Таким образом, без взаимных помех в диапазоне средних волн можно разместить лишь 100 передатчиков. Общее же их количество намного превышает эту цифру!

Л. — Это так, потому что несколько передатчиков может работать одновременно на одной волне, если программа у них одинакова и несущие частоты точно синхронизированы. Программы могут различаться лишь в том случае, когда мощность передатчиков незначительна и они далеко отстоят один от другого. Все же в средневолновом диапазоне можно разместить лишь 100 каналов.

Н. — Это немного. Но разве в метровом диапазоне получается больше?

Л. — Проделай те же расчеты и вычисли, сколько каналов по 10 000 гц можно вместить, например, между волнами 4 и 4,5 м?

Н. — Что ты хочешь получить от этого жалкого интервала 0,5 м? Впрочем, поскольку в наше время приходится соревноваться с самим Эйнштейном, я проделаю эти вычисления. Волне 4 м соответствует частота 75 000 000 гц, а 4,5 м — частота 67 000 000 гц. Таким образом, интервал составляет 8 000 000 гц…

Возможно ли это! Там разместится 800 каналов по 10 000 гц?.. Я, должно быть, ошибся. Неужели эти 0,5 м настолько шире 400 м средневолнового диапазона?

Л. — Нет, дружище, в твои расчеты не вкрались ошибки. Вычисления показывают, что в метровом диапазоне имеется обширный участок частот, где можно разместить большое число передатчиков без ограничения боковых модуляционных полос.

ОБРАТНАЯ СТОРОНА МЕДАЛИ

Н. — Потрясающе! Над этим надо было бы, конечно, задуматься. Но в таком случае я надеюсь, что диапазон средних волн будет заброшен и все передатчики перекочуют в эту обширную великолепную область метровых волн, где они расцветут на свободе к вящему удовлетворению истинных ценителей музыки.

Л. — Какой лирический взлет!.. К великому сожалению, я должен, в который уже раз, обдать холодным душем столь пылкий энтузиазм. Ведь метровые волны, увы, обладают громадным недостатком. Дальность их распространения крайне незначительна.

Н. — Вот неудача! Нашлись, наконец, волны, не ограничивающие спектра звуковых частот. Почему же нужно, чтобы они плохо распространялись?

Л. — Потому что они расположены по диапазону ближе к световым колебаниям — также электромагнитным, но с еще более короткой длиной волны — и обладают почти такими же свойствами. Вместо того, чтобы отражаться от верхних ионизированных слоев атмосферы, возвращающих на землю, подобно зеркалу, более длинные волны, метровые волны проникают через них без какой-либо надежды на возвращение.

Н. — Но в таком случае их можно использовать для связи с обитателями других планет?

Л. — Конечно, при условии, что таковые существуют… Но и без столь далеко идущих целей удалось послать на Луну эти волны и они вернулись на Землю после отражения от ее поверхности.

Н. — И сколько времени заняло такое путешествие в оба конца?

Л. — Около двух с половиной секунд. Метровые волны отличаются строго прямолинейным характером распространения. В то время как более длинные волны охотно огибают земной шар, что позволяет им распространяться вдоль земной поверхности на большие расстояния, метровые волны, прямые, как световые лучи, не заходят за линию горизонта.

Н. — В конечном счете, если я правильно понял, нужно, чтобы была прямая видимость между передающей и приемной антеннами.

Л. — Вот именно. Поэтому антенны передатчиков, работающих в метровом диапазоне, стараются поднять как можно выше. Несмотря на это, дальность передачи не превышает сотни километров.

Н. — И, следовательно, для покрытия большой территории нужно много передатчиков.

Л. — Увы, да. В частности, это относится к телевидению, в котором тоже (как ты узнаешь позже) используется метровый диапазон волн.

ОГРАНИЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Н. — Но, по-видимому, небольшая дальность действия передатчиков метрового диапазона не является неустранимым затруднением. Я надеюсь, что было выделено достаточно средств для постройки нужного количества передатчиков с целью воспроизведения качества звучания без каких-либо ограничений.

Л. — Этого недостаточно. В метровом диапазоне отпадает ограничение по полосе частот, но остается другое, присущее самому процессу той системы модуляции, которую мы до сих пор изучали. Это ограничение по динамическому диапазону.

Н. — А что это такое?

Л. — Так называется соотношение между наибольшим и наименьшим значениями громкости звучания. Фортиссимо большого симфонического оркестра может быть в 10 000 раз громче, чем пианиссимо скрипичного соло. При амплитудной модуляции невозможно передать такое отношение интенсивности.

Н. — Но почему же?

Л. — В направлении увеличения громкости невозможно увеличить значение несущей частоты больше чем в два раза (рис. 120).

Рис. 120. Пределы изменений амплитуды модулированного колебания ограничены по максимуму двойным значением несущей и по минимуму уровнем шумов.

Н. — Это понятно. Но если уменьшать значение несущей в требуемом отношении, то можно воспроизвести весь динамический диапазон?

Л. — Увы, дружище, и в этом направлении имеется ограничение, определяемое шумами. Речь идет о шумах, которые ты слышишь в отсутствие передачи (или в паузах) и которые обусловлены рядом причин.

Н. — Я полагаю, что атмосферные и промышленные помехи играют тут немалую роль.

Л. — Безусловно. Однако, помимо внешних причин, имеются и другие, свойственные самой передающей и приемной аппаратуре. Эти шумы возникают как вследствие нерегулярности электронной эмиссии, так и из-за тепловых флуктуации в сопротивлениях и колебательных контурах.

Н. — Это напоминает мне зернистость фотоэмульсии, ограничивающую возможность увеличения снимков.

Л. — Аналогия правильна.

Н. — Если я хорошо понял, то наименьшее значение модулированного тока не должно быть ниже уровня шумов, чтобы не утонуть в них.

Л. — Поздравляю тебя, ты правильно сформулировал. Поэтому приходится сжимать динамический диапазон, чтобы фортиссимо не выходило за пределы двойной амплитуды несущей, а пианиссимо не опускалось ниже уровня шумов.

Н. — Веселая история! Найден способ сохранить в неприкосновенности полосу передаваемых частот, но при этом нет возможности спасти нюансы звучания, потому что отношение интенсивностей грубо искажается! Как жалко!. И подумать только, что еще имеют смелость говорить о высококачественном звучании приемников!..

ЧАСТОТА ПЕРЕМЕННА. АМПЛИТУДА ПОСТОЯННА

Л. — Однако в ряде случаев это соответствует действительности, так как при этом имеют в виду частотную модуляцию, не ограниченную по динамическому диапазону.

Н. — Я был уверен, что по традиции ты тщательно воздвигнешь препятствие и потом сам же сметешь его одним щелчком. Я тебя хорошо изучил, Любознайкин. Но что это такое, частотная модуляция?

Л. — До сих пор мы рассматривали лишь один из способов передвижения низкочастотного пассажира в высокочастотном поезде, т.е. один из способов модуляции несущей частоты звуковыми частотами. Это амплитудная модуляция, в процессе которой амплитуда несущей частоты изменяется в соответствии с изменением напряжения низкой частоты.

Н. — Не станешь же ты утверждать, что в процессе частотной модуляции изменяется частота несущей в зависимости от значений низкой частоты?

Л. — Однако это действительно так. Вместо воздействия на амплитуду несущей модулирующее напряжение изменяет ее частоту (рис. 121). Чем больше мгновенное значение модулирующего напряжения, тем выше мгновенное значение несущей частоты.

Рис. 121. При частотной модуляции амплитуда несущей остается неизменной, но ее частота изменяется вокруг некоторого среднего значения в такт со звуковой модуляцией.

Н. — И можно отметить, что амплитуда несущей частоты при этом не меняется.

Л. — Да. В этом заключается одно из главных достоинств частотной модуляции, или, как сокращенно говорят, ЧМ. Постоянство амплитуды обеспечивает более высокую энергетическую отдачу передатчика, работающего всегда в режиме максимальной мощности. При приеме уровень сигнала всегда значительно выше уровня шумов. По сравнению с амплитудной модуляцией (сокращенно AM) увеличивается реальная дальность действия, так как передача идет на неизменном наивысшем уровне излучаемых колебаний.

Н. — Таким образом, в этой системе модуляции несущая частота меняется в такт с низкой частотой. Но как передаются относительные изменения интенсивности модулирующего напряжения?

Л. — Степенью отклонения частоты от того значения несущей, которое она имеет в отсутствие модуляции. При слабом звучании отклонение (или девиация) частоты также невелико. Мощные же аккорды вызывают значительную девиацию частоты.

Н. — Следовательно, ритм девиации несущей частоты будет определяться частотой модулирующего напряжения, а величина девиации — амплитудой модулирующего напряжения.

Л. — Ты хорошо понял, Незнайкин, принцип ЧМ.

Н. — И так как нет причин, ограничивающих величину девиации частоты, можно, мне кажется, сохранить истинное соотношение интенсивностей или, иными словами, правильно воспроизвести динамический диапазон звучания.

Л. — Безусловно. Именно поэтому для частотной модуляции используется метровый диапазон волн, так как здесь полоса частот не ограничена.

ПРОСТЕЙШИЙ ЧМ ПЕРЕДАТЧИК

Н. — Частотная модуляция необыкновенно привлекательна. Я хочу изучить ее возможно глубже. И для начала я хотел бы знать, как устроен ЧМ передатчик.

Л. — Твоя любознательность не имеет границ, дружище. Однако я постараюсь ее удовлетворить и покажу, как можно соорудить опытный маломощный передатчик с помощью электростатического микрофона.

Н. — А что это еще за устройство?

Л. — Просто-напросто конденсатор из двух обкладок, одна из которых неподвижна и состоит из массивной металлической пластины, в то время как другая очень эластична и является тонкой металлической мембраной, натянутой параллельно первой обкладке.

Н. — Я догадываюсь, что это устройство является конденсатором, емкость которого изменяется под воздействием звуковых колебаний, заставляющих вибрировать эластичную мембрану.

Л. — От тебя ничего не скроешь, дружище. Ты это так хорошо понял, что тебя не удивит включение такого микрофона параллельно колебательному контуру лампового генератора (рис. 122). Изменение емкости микрофона вызовет соответствующее изменение частоты лампового генератора.

Н. — И мы получим частотно-модулированные колебания. Вот не ожидал, что это так просто!

Рис. 122. Схема простейшего частотно-модулированного передатчика. Частота генерируемых колебаний изменяется с помощью электростатического (конденсаторного) микрофона, включенного параллельно емкости контура.

1 — звуковые колебания; 2 — микрофон.

Л. — Схемы настоящих ЧМ передатчиков значительно сложнее. Но это не имеет для тебя особого значения.

Н. — Конечно. Но меня очень интересует способ приема этих необычных колебаний.

Л. — Потерпи до следующей беседы, и мы рассмотрим этот вопрос.