Различные виды искажений

Уже в течение ряда лет усилия радиоспециалистов направлены на получение наиболее верного воспроизведения музыки. Идеальным решением была бы, разумеется, полная идентичность звучания громкоговорителя и той передачи, которая воздействует на микрофон в студии радиовещательной станции. Хотя такое идеальное решение и неосуществимо, исследователи все более к нему приближаются, исключая изо дня в день различные причины искажений. Если сравнить качество воспроизведения звука современных приемников с тем, что лет 20 назад считалось хорошим воспроизведением, то можно заметить всю значительность достаточного прогресса.

Искажения могут иметь различный характер. Различают линейные искажения, которые проявляются в неравномерном воспроизведении различных звуковых частот. Так, в большинстве приемников среднего качества низкие и высокие частоты ослаблены относительно частот среднего регистра.

Кроме того, читатель уже знает о существовании нелинейных искажений, порождаемых кривизной характеристик ламп, которые сказываются одновременно и на соотношении интенсивности и на самой форме колебаний; в результате этих искажений появляются новые частоты, которых не было в исходной передаче.

Наконец, могут появиться шумы постороннего происхождения: фон электросети, возникающий из-за недостаточной фильтрации или из-за паразитных индукций; шумы, порождаемые неравномерностью электронной эмиссии и тепловыми флуктуациями в проводниках, и, наконец, атмосферные и индустриальные помехи.

Углубленное изучение этой проблемы приводит к следующему печальному выводу; искажения могут возникать во всех элементах приемника, усилителе высокой частоты, детекторе, усилителе низкой частоты Можно лишь удивляться, что, несмотря на тысячи опасностей, нависших над музыкальной передачей во всех звеньях радиолинии, все же удается почти полностью сохранить ее первоначальную чистоту…

Боковые полосы

Искажения в усилителе высокой частоты (включая усилитель промежуточной частоты в супергетеродинах) могут возникать из-за чрезмерной избирательности колебательных контуров.

В наших рассуждениях мы до сих пор считали, что-принимаемые антенной высокочастотные колебания имеют только одну частоту — частоту незатухающих колебаний, являющуюся несущей для низкочастотной модуляции. Однако такое представление является слишком упрощенным и не соответствует действительности.

Модуляция токов высокой частоты f токами низкой частоты F подобна настоящему преобразованию частоты, в известной мере аналогичному тому, которое имеет место в супергетеродине. Однако здесь имеется и существенное различие.

В результирующем токе после детектирования содержится частотная составляющая f — F. Когда же мы модулируем несущий ток с частотой f и звуковой частотой F, мы создаем по обе стороны частоты f две частотные составляющие: f — F и f + F, симметричные по отношению к частоте f. Эти частоты называются боковыми частотами.

При передаче речи или музыки мы имеем дело не с одной частотой F, а со всей полосой частот, достигающей 10 000 или 16 000 гц. Таким образом, вокруг несущей частоты f создаются боковые полосы, занимающие весь интервал частот от f — F до f + F шириной 2F.

В качестве примера укажем, что при передаче, ведущейся на частоте 1 Мгц (длина волны 300 м), модулированной всеми звуковыми частотами вплоть до 10000 гц, появятся все частоты между 0,99 и 1,01 Мгц, или в интервале 20 кгц.

Качество воспроизведения и избирательность

Несущая частота каждого передатчика должна смещаться относительно несущей частоты ближайшего соседа не менее чем на 2F во избежание интерференции между боковыми частотами. В приведенном выше примере наиболее близкие по частоте передатчики должны настраиваться на 0,98 и 1,02 Мгц; боковые полосы во втором случае займут интервал от 1,01 до 1,03 Мгц.

Чтобы иметь возможность уместить в интервале частот, отведенных для радиовещания, большое количество передатчиков, международная конвенция ограничила до 9 кгц общий интервал частот для обеих боковых полос каждого передатчика. В этих условиях передаваемые модуляционные частоты не должны превышать 4,5 кгц. Из-за этого ограничения радио является с точки зрения верности воспроизведения звука бедным родственником звукозаписи и звукового кино, которые не знают подобных ограничений и могут воспроизводить самые высокие звуковые частоты.

К счастью, на коротких и особенно на метровых волнах эти ограничения отсутствуют. Вот почему качество телевизионного звукового сопровождения, передаваемого на метровых волнах, явно выше качества передач на средних и длинных волнах.

Но даже при полосе 4,5 кгц можно добиться вполне удовлетворительного качества воспроизведения звука при условии, что сам приемник не срезает высоких модуляционных частот. Однако именно в этом заключается роковое свойство, присущее слишком избирательным контурам. Пропуская лишь очень узкую полосу частот, они ослабляют или подавляют все другие модуляционные частоты.

Конечно, нет ничего проще, чем снизить избирательность контура. Для этого достаточно увеличить его затухание, включив параллельно контуру сопротивление, потери в котором будут определяться величиной тока. Но в этом случае мы потеряем на чувствительности, а избирательность окажется недостаточной, чтобы избежать одновременного приема станций, работающих на соседних частотах.

Дилемма становится еще более очевидной при изучении резонансных кривых. Эти кривые показывают изменение интенсивности протекающего в колебательном контуре тока в зависимости от частоты, достигающего максимума в точке резонанса.

Накладывая эти кривые на прямоугольник, соответствующий несущей с боковыми полосами, мы видим, что контур с малой избирательностью (см. рис. 111) имеет резонансную кривую, значительно шире интервала интересующих нас частот и поэтому пропускает также частоты других передач. Слишком избирательный контур (см. рис. 112) срезает высокие частоты боковых полос.

Решение заключается в использовании сложных контуров, носящих наименование полосовых фильтров, резонансные кривые которых приближаются к прямоугольной форме в интервале 9 000 гц, после чего кривая резко падает и соседние передачи не усиливаются.

Полосовые фильтры

Полосовой фильтр состоит из двух связанных между собой колебательных контуров. В зависимости от величины связи (слабая, средняя сильная и очень сильная) резонансная кривая имеет одну из форм, показанных на рис. 160. Двугорбая форма кривой, характеризующая сильную связь, появляется лишь при связи, превышающей так называемую критическую связь. Только при связи, близкой к критической, резонансная кривая полосового фильтра имеет форму, позволяющую удовлетворить условию достаточной избирательности при хорошем качестве воспроизведения.

Существует несколько типов связи двух контуров: индуктивная (на таком принципе основано устройство трансформаторов промежуточной частоты), емкостная, комбинированная емкостно-индуктивная, а также связь через общее сопротивление (емкостное, индуктивное или емкостно-индуктивное, см. рис. 116). Полосовые фильтры используются в качестве антенных контуров или в качестве цепей связи между лампами высокой и промежуточной частоты.

Рис. 160. Два связанных колебательных контура дают в зависимости от степени связи одну из этих четырех резонансных кривых.

а — слабая связь; б — средняя связь; в — сильная связь; г — очень сильная связь.

Переменная избирательность

Ширина полосы пропускания зависит от степени связи. С помощью регулируемой связи мы можем по своему усмотрению изменять ширину полосы частот, пропускаемой фильтром. Таким образом осуществляется переменная избирательность, позволяющая приспособиться к приему в самых разнообразных условиях.

Чтобы слушать передачу удаленной станции, которая легко может быть забита мощным передатчиком, избирательность доводят до максимума, жертвуя качеством воспроизведения. В тех же случаях, когда прием близкой или мощной станции не требует высокой избирательности, связь увеличивают, чтобы добиться наивысшего качества передачи.

Искажения в цепях низкой частоты

Искажения, возникающие в низкочастотных цепях приемника, принадлежат преимущественно к категории нелинейных искажений, причиной которых служит кривизна характеристик ламп. Эта кривизна присуща даже тому участку характеристики, который мы в первом приближении считали линейным. Пока речь шла об усилении небольших переменных напряжений, мы имели достаточно оснований считать этот участок линейным. Но в усилителях низкой частоты и особенно в оконечной лампе мы встречаемся с относительно большими переменными напряжениями и кривизна характеристики приводит здесь к заметным искажениям анодного тока.

Анализ показывает, что изменение формы анодного тока приводит к появлению звуковых гармоник, т. е. колебаний с частотой в 2–3 и больше раз выше основной частоты воспроизводимого звука. Эти гармоники меняют тембр звука и соответственно искажают передачу.

Отрицательная обратная связь

Борьба с этими искажениями осуществляется по принципу «клин клином вышибается». Чтобы устранить или по крайней мере ослабить искажения в усилителе низкой частоты, в него вводят искажения, аналогичные тем, которые он вносит сам, но противоположного знака, с тем чтобы, одни искажения компенсировали другие.

Но где взять искажения, идентичные искажениям, вносимым усилителем?

Наиболее простой и надежный способ заключается в том, чтобы снять их с выхода самого усилителя и подать на вход в противоположной полярности к напряжению, которое их вызывает в процессе усиления. Вот мы и пришли к принципу отрицательной обратной связи.

Идеальным решением было бы снимать с выхода только напряжение, соответствующее искажениям. Но его, разумеется, невозможно выделить из всего напряжения. Поэтому с выхода снимается некоторая часть и всего напряжения, которая и подается на вход усилителя в противоположной полярности с усиливаемым напряжением U (рис. 161).

Рис. 161. Принципиальная схема отрицательной обратной связи. Необходимая часть выходного напряжения снимается с потенциометра R .

Что же при этом происходит?

Имея противоположную полярность относительно входного напряжения U, напряжение и вычитается из него, в результате чего входное напряжение падает до значения U — u. Но это неважно, так как снижение может быть компенсировано соответствующим усилением в других звеньях. Важно то, что в напряжении U — u имеются искажения, которые не существовали в напряжении U и которые противоположны искажениям, возникающим в усилителе. В результате искажения на выходе значительно снижаются.

Так как входное напряжение U уменьшается до значения U — u частью выходного напряжения u, отрицательная обратная связь в известной мере снижает усиление. Ее следует применять лишь в усилителях, имеющих достаточный запас по усилению, чтобы оконечная лампа, несмотря на снижение усиления, могла отдать требуемую выходную мощность.

Отрицательная обратная связь в схеме оконечной лампы

В связи с тем, что основные искажения возникают главным образом в оконечной лампе, обратную связь часто применяют только в цепи этой лампы. Наиболее простой способ (рис. 162) заключается в соединении анода оконечной лампы Л 2 с анодом лампы предваритетьного усилителя Л 1 через резистор R с большим сопротивлением (1–2 Мом). Благодаря этому часть переменного напряжения первичной обмотки выходного трансформатора поступает через конденсатор С на управляющую сетку оконечной лампы.

Следует отметить, что, как и в схеме, изображенной на рис. 161, деление выходного напряжения перед подачей его на сетку лампы производится с помощью делителя, аналогичного потенциометру. На рис. 162 потенциометр образован из сопротивления резистора R (одно плечо) и трех других параллельно включенных сопротивлений (другое плечо): внутреннего сопротивления R л лампы Л 1 и сопротивлений резисторов R 1 и R 2 (каждое из этих сопротивлений одним концом подключено к аноду лампы Л 1 , а другим — к плюсу или минусу источника высокого напряжения, что по переменному току эквивалентно). Так как суммарное сопротивление параллельных сопротивлений R л , R 1 и R 2 мало по сравнению с сопротивлением R, на сетку лампы Л 2 подается незначительная часть выходного напряжения.

Рис. 162. Отрицательная обратная связь в усилителе низкой частоты, осуществленная с помощью резистора R , включенного между анодами двух ламп.

Отрицательная обратная связь с коррекцией тембра

При желании охватить отрицательной обратной связью обе лампы усилителя низкой частоты приемника напряжение лучше снимать со вторичной обмотки выходного трансформатора, который, как мы знаем, понижает напряжение. Это напряжение подают на резистор R 1 с небольшим сопротивлением (10–20 ом), включенный в цепь катода последовательно с резистором смещения первой лампы (рис. 163).

Рис. 163. Отрицательная обратная связь в усилителе низкой частоты с коррекцией тембра.

R1  — 10–20 ом; R2 — 500 ом; L1 — 25 мгн;  L2 — 15 мгн.

Таким образом, в цепи отрицательной связи управляющим электродом является катод. Иногда это устройство одновременно используется для улучшения воспроизведения низших и высших звуковых частот, обычно ослабленных относительно среднего их регистра.

Чтобы лучше усилить низшие и высшие частоты, достаточно снизить напряжение отрицательной обратной связи на этих частотах. Таким образом, ослабление усиления, вносимое отрицательной обратной связью, будет менее выражено для низших и высших частот, которые в результате будут усилены больше, чем средние частоты. Такая коррекция тембра осуществляется с помощью двух небольших катушек индуктивности: L 1 и L 2 . Первая из них включена параллельно цепи обратной связи.

Ее индуктивное сопротивление, а следовательно, и напряжение отрицательной обратной связи на резисторе R 1 тем меньше, чем ниже частота. Таким образом, катушка L 1 корректирует низшие звуковые частоты. Сопротивление последовательно включенной катушки L 2 увеличивается с частотой. В результате напряжение высоких частот на резисторе R 1 падает а отрицательная обратная связь меньше влияет на их усиление.

Такой метод коррекции тембра представляется соблазнительным благодаря относительной простоте, но его можно рекомендовать лишь с большими оговорками. Снижая величину отрицательной обратной связи на некоторых частотах, не следует забывать, что основная цепь отрицательной обратной связи заключается в уменьшении искажений. Поэтому частоты, менее ослабленные отрицательной обратной связью, будут больше искажены. И если это не имеет большого значения для высших частот (гармоники которых имеют достаточно высокую частоту, чтобы не вносить заметных на слух искажений), то для низших частот это может оказаться весьма неприятным.

И так как существуют другие методы коррекции тембра, не связанные с цепью отрицательной обратной связи, лучше пользоваться ими, чем рисковать вводить неприятные искажения в процессе устранения других…иногда менее значительных.