В этой главе автор рассказывает об устройстве детекторного приемника, становлении радиовещания в нашей стране, строительстве мощных радиостанций и выпуске массовых радиоприемников, о современном состоянии радиовещания и перспективах на ближайшее будущее, связанных, разумеется, с цифровой электроникой и космической техникой.

Немного истории

Рассказывая об истории радио, мы с вами остановились на том времени, когда искровые радиопередатчики и приемники с когерером достигли предела своих возможностей. Нужна была новая техника, позволявшая увеличивать и дальность, и качество радиосвязи. И новая техника возникла — ведь возможности радио заинтересовали многих, появилось немало талантливых инженеров и техников, работавших над ее совершенствованием. В 1906–1908 годах изобрели два новых прибора, до настоящего времени остающихся чуть ли не основными в радиотехнике.

Первый из них — кристаллический детектор. Его предшественник — когерер — обладал очень малой чувствительностью. Естественно, что трубку, заполненную железными опилками, пытались усовершенствовать многие конструкторы. Множество контактов между отдельными опилками не обеспечивали стабильной работы прибора — в результате остался один контакт. Перепробовали массу пар различных веществ в контакте, и лучшими оказались цинкит — халькопирит и гален — сталь. Кристаллы для детекторов изготавливали в кустарных условиях, получая тем не менее неплохие результаты. А сколько времени уходило на подбор «чувствительной точки»!

Кристаллический детектор снабжался специальными ручкой или винтом, чтобы подбирать положение острия пружинки на поверхности кристалла. Теперь-то мы хорошо знаем, что кристаллический детектор — это обычный полупроводниковый диод, который можно купить в любом магазине радиотоваров!

С изобретением кристаллического детектора появился детекторный радиоприемник — устройство предельно простое и эффективное. Детекторный приемник просуществовал без заметных изменений более полувека.

Вот схема детекторного приемника. Вы можете собрать его менее чем за час и послушать передачи местных радиовещательных станций. Для этого понадобятся достаточно длинная (20…30 м) наружная антенна и заземление (в городе можно подключить провод заземления к водопроводным трубам или арматуре железобетонного здания). Детекторный приемник не обладает усилением, и громкость звука в телефонах определяется только мощностью принятого сигнала.

Принцип действия детекторного приемника.

Давайте разберемся в назначении отдельных элементов, обозначенных на схеме приемника. С антенной все ясно — на ее проводе наводится радиоволной напряжение принимаемого сигнала. Оно тем больше, чем длиннее антенна. Но это верно только до тех пор, пока длина антенны менее четверти длины волны принимаемой станции. Более длинные антенны делать уже нецелесообразно. Заземление заменяет «вторую половинку» диполя антенны.

Можно использовать противовес — еще одну антенну примерно такой же длины, но расположенную поближе к земле. Сделать заземление обычно проще.

Далее мы видим уже знакомый нам колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсатора переменной емкости С 1 . Контур резонирует на собственной частоте, которая должна совпадать с частотой принимаемой радиостанции. Изменяя емкость конденсатора, можно изменять частоту настройки. Обратите внимание, что антенна подключена к части витков катушки с помощью регулируемого отвода (обозначен стрелкой). Сделано это не зря. Антенна обладает некоторым собственным сопротивлением, которое имеет и активную, и реактивную компоненты. Лишь при длине антенны, точно равной четверти длины волны, ее сопротивление составляет 73/2 = 36,5 Ом и является чисто активным. У более коротких антенн активное сопротивление меньше, и к нему добавляется еще реактивное (в данном случае — емкостное) сопротивление.

Неактивное сопротивление антенны несколько расстраивает по частоте контур приемника, что можно скомпенсировать соответствующим изменением емкости C 1 . А для того чтобы в контур, а затем и в детектор из антенны поступала максимальная мощность сигнала, сопротивления контура и антенны необходимо согласовать, т. е. уравнять по абсолютной величине. Условия согласования имеют вид:

R A  = R K ; ХA = —Х K .

Это означает, что активные сопротивления должны быть равны, а реактивные равны по величине, но противоположны по знаку. Переключая антенну по отводам катушки, мы изменяем ее коэффициент включения k и приведенное к зажимам контура сопротивление, равное R A /k2. Например, подключив антенну к половине витков катушки, мы увеличим ее приведенное сопротивление в четыре раза.

Аналогично контур связан и с детектором. Перемещая отвод детектора кверху, мы отбираем из контура большую мощность, но при этом сильнее нагружаем его. И селективность контура уменьшается. Именно поэтому при полном включении детектора мы можем услышать две станции сразу. Ослабляя связь с контуром и антенны, и детектора, можно значительно увеличивать подавление сигналов мешающих станций за счет возросшей добротности контура. Но громкость приема несколько понизится из-за потерь энергии сигнала в контуре.

И наконец, последние две детали детекторного радиоприемника. Это — телефоны (наушники), которые должны быть чувствительными и высокоомными, т. е. иметь собственное сопротивление не менее нескольких тысяч ом (килоом), и блокировочный конденсатор С 2 . Он имеет малое сопротивление для токов высокой частоты и позволяет этим токам поступать непосредственно к детектору. В то же время его сопротивление для токов звуковой частоты велико, и эти токи проходят через катушки телефонов. Приемник будет работать и без блокировочного конденсатора, но заметно тише.

Ну вот, мы и познакомились со схемой вечно молодого дедушки радиоприемной техники — детекторного радиоприемника. О конструкциях говорить не будем — их предложено столько, что можно из их описаний составить целую книгу.

Между прочим, мы убедились, что детекторный приемник не так уж прост, как это могло показаться сначала. В нем, например, для получения громкого приема должны выполняться условия согласования антенны с контуром, а контура с детектором, к которому подключены наушники. На практике оптимального согласования добиваются по максимальной громкости приема.

Но вернемся к истории. Что же могли слышать первые радисты, настроив детекторный приемник на частоту искрового передатчика?

Вот осциллограмма его колебаний (осциллограмма — слово современное, а в описываемое время и осциллографов-то еще не было!).

Прием сигналов искрового передатчика.

Если всплески колебаний, соответствующие искровым разрядам, происходят со звуковой частотой, то после выпрямления колебаний детектором получается импульсный звуковой сигнал. Если же передатчик дуговой, то при настройке на его частоту слышны сильный шум или шипение. Вот и все. Но уже в то время начали задумываться о передаче по радио речевых звуковых сигналов. Ведь это уже делалось по проводам. Телефоны А. Белла и Т. Эдисона успешно функционировали во многих городах мира. Как перенести звуковой сигнал на высокую радиочастоту? Вы уже знаете, как это делается: путем амплитудной модуляции. Но прежде надо получить несущее радиочастотное колебание! Это стало возможным с изобретением радиоламп. Экспериментальный вакуумный диод изготовил еще Эдисон — он ввел в изобретенную им же лампочку накаливания второй электрод — анод. Но практического применения диоду Эдисон не нашел. Это сделал в 1904 году другой изобретатель Дж. Флеминг. Вакуумные диоды могли использоваться для детектирования высокочастотных колебаний наряду с кристаллическими. В 1907 году Ли де Форест ввел в вакуумный диод третий электрод — сетку. Теперь радиоинженеры получили новый эффективный прибор для усиления колебаний — радиолампу. Ну а где усиление, там и генерация. Любой начинающий радиолюбитель вам подтвердит: часто делаешь усилитель, а получается генератор! Виноваты вредные (как говорят, паразитные) наводки сигнала с выхода усилителя на его вход.

Генератор, вырабатывающий колебания самостоятельно, называют автогенератором. Любой, даже самый сверхсовременный автогенератор содержит два основных элемента, соединенные в кольцо: усилитель и колебательную систему. Первым служит радиолампа или транзистор, вторым колебательный контур или кварцевый кристалл. В колебательной системе всегда существуют потери энергии. Если их не восполнять, колебания будут затухающими, как в искровом передатчике. Но часть энергии колебаний усиливается и снова поступает в колебательную систему через цепь положительной обратной связи, восполняя потери. Когда неопытный радиолюбитель делал усилители, обратная связь могла возникнуть через емкость между входными и выходными проводниками, через общий провод питания или еще каким-либо образом. В результате усилитель превращался в генератор, и окружающим приходилось затыкать уши, чтобы не оглохнуть от громкого свиста, издаваемого неудачной конструкцией!

Давайте рассмотрим схему генератора на вакуумном триоде, сконструированного В. Мейснером в 1915 году. Долгие годы этот вариант так и называли — схема Мейснера. Колебательный контур включен в анодную цепь лампы, и через катушку контура протекает анодный ток. С контурной катушкой индуктивно связана еще одна катушка связи L св . На ее выводах возникает точно такое же напряжение колебаний, как и в контуре, лишь несколько меньшее по амплитуде. Оно приложено к сетке лампы и управляет анодным током. Усиленные колебания вновь поступают в контур и поддерживают в нем автоколебательный процесс.

Для правильной работы генератора необходимо выполнение двух условий, — баланса фаз и баланса амплитуд. Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания из анодной цепи лампы поступали в такт с колебаниями контура. В противном случае произойдет не возбуждение, а подавление колебаний.

Разумеется, вам приходилось качаться на качелях, если и не во взрослом возрасте, то хотя бы в детстве. Наверное, кто-нибудь раскачивал вас. Заметили, что он прикладывал усилие в такт с движением качелей. При этом амплитуда качаний увеличивалась. Для того чтобы остановить качели, достаточно приложить усилие в противофазе с движением качелей.

Генератор Мейснера на вакуумном триоде.

Баланс фаз обеспечивается правильным включением выводов катушки обратной связи L св . Начала обмоток обозначены на схеме генератора точками (предполагается, что обе катушки намотаны в одну сторону). Если, например, в какой-то момент на верхнем по схеме выводе контура оказывается положительная полуволна напряжения, то сетка триода получает отрицательный потенциал. Анодный ток уменьшается, а вместе с ним уменьшается и падение напряжения на контуре. Следовательно, потенциал анода возрастает, поддерживая положительную полуволну колебаний. Во время отрицательной полуволны колебаний в контуре анодный ток растет, а напряжение на аноде падает, также поддерживая эту полуволну.

Другое условие, которое должно выполняться в автогенераторе, — условие баланса амплитуд. Оно требует, чтобы амплитуда колебаний, поступающих от лампы в контур, была достаточной для покрытия собственных потерь в контуре. Если лампа будет «раскачивать» контур сильнее, амплитуда колебаний в нем будет нарастать, а если слабее — то уменьшаться. При выполнении условия баланса амплитуд произведение коэффициентов усиления лампы и коэффициента передачи цепи обратной связи должно равняться единице. На практике, чтобы обеспечить быстрое нарастание амплитуды колебаний сразу после включения генератора, это произведение выбирают несколько больше единицы путем подбора связи между катушками. Тогда по мере нарастания амплитуды колебаний усиление лампы уменьшается и амплитуда колебаний, достигнув определенной величины, остается далее неизменной. В описываемом генераторе это происходит за счет ограничения амплитуды колебаний, усиливаемых лампой, — ведь анодный ток может уменьшаться только до нуля и возрастать только до определенной величины, задаваемой конструкцией лампы.

Значительно лучше работают генераторы со специальными цепями стабилизации амплитуды. Простейшим и очень распространенным вариантом является цепь автоматического смещения сетки или, как ее называли раньше, по-старинке, гридлик (от англ. grid — сетка, leak — утечка). На рисунке показана схема генератора с автоматическим смещением. Добавились элементы С р — разделительный конденсатор и R — резистор утечки сетки. Во время положительных полуволн радиочастотного напряжения на сетке часть электронов оседает на нее, создавая сеточный ток. В предыдущей схеме генератора сеточный ток лишь вносил потери в колебательный контур. Здесь сеточный ток выполняет полезную роль — проходя по резистору утечки сетки, он заряжает конденсатор С так, что на сетке образуется отрицательный потенциал. Он тем больше, чем больше амплитуда колебаний. По мере возрастания амплитуды колебаний возрастает и отрицательное напряжение смещения на сетке, запирающее лампу. Усиление ее уменьшается, и амплитуда колебаний стабилизируется.

Автогенератор со стабилизацией амплитуды.

Описанный генератор обеспечивает «мягкое» возбуждение колебаний. Раздвинем контурную катушку и катушку обратной связи настолько, что колебания прекратятся (уменьшится коэффициент обратной связи). Сблизив катушки, мы получим возбуждение колебаний сначала очень малой амплитуды, затем большей. Раздвинув катушки снова, получим плавное уменьшение амплитуды колебаний до нуля. Никаких резких скачков амплитуды колебаний в нашем генераторе не наблюдается.

Процесс «мягкого» возбуждения колебаний в автогенераторе.

Мы так подробно остановились на схеме генератора Мейснера потому, что он начал новую эпоху в радиотехнике. Радисты получили наконец, средство для генерирования незатухающих колебаний. Осталось связать с колебательным контуром антенну, а в цепь анодной батареи включить телеграфный ключ — и передатчик готов!

Нужна большая мощность? Делайте большую лампу! Так и поступили. Инженеры моментально включились в соревнование по изготовлению все более мощных ламп (50, 100, 200 Вт) и вскоре перешагнули и киловаттный рубеж. Оставалась неусовершенствованной техника радиоприема. Тут реванш взяли англичане. В том же 1913 году Роунд, экспериментируя с генератором Мейснера, открыл возможность автодинного приема.

Что такое автодинный прием? Это прием с использованием собственного генератора незатухающих колебаний, причем все процессы приема происходят в одном активном элементе триоде.

Посмотрите на схему простейшего автодинного приемника. Она мало отличается от схемы генератора. Добавлены лишь цепь связи с антенной да телефонные трубки в анодной цепи лампы, зашунтированные блокировочным конденсатором (назначение его нам уже известно — замыкать токи высокой частоты).

Приемник, который в зависимости от коэффициента обратной связи может быть и автодинным, и регенеративным.

Контур теперь включен не в анодную, а в сеточную цепь. Это удобнее, поскольку крупногабаритный переменный конденсатор с ручкой настройки уже не находится под высоким потенциалом анодной батареи, а катушка обратной связи включена в анодную цепь лампы. Связь ее с контурной катушкой сделана регулируемой, что обозначено на схеме изогнутой с стрелкой.

Какие же процессы происходят в автодинном приемнике? Прежде всего надо отметить, что с помощью ручек настройки частота собственных колебаний устанавливается очень близкой к частоте принимаемого сигнала. Разность частот может составлять 400…1000 Гц. Следовательно, принимаемый сигнал попадает в полосу пропускания колебательного контура. Приведем простой пример: пусть приемник настроен на частоту 300 кГц, а добротность контура составляет 100. Тогда полоса его пропускания (ширина резонансной кривой) составляет 300 кГц/100 = 3 кГц или ± 1,5 кГц от частоты настройки. Итак, в контуре существуют сразу два колебания: собственное, с большой амплитудой, и принимаемое — с малой.

Сумма двух синусоидальных колебаний с несколько отличающимися частотами и существенно различными амплитудами представляет собой один сигнал с изменяющейся амплитудой — сигнал биений. В этом легко убедиться, графически сложив исходные два колебания.

Если в начале графика колебания были в фазе и суммарное колебание имеет амплитуду, равную сумме амплитуд а 1  + а 2 , то спустя полпериода разностной частоты исходные колебания станут противофазными и суммарное колебание будет иметь амплитуду а 1 — а 2 .

Биения двух синусоидальных колебаний.

Таким образом, амплитуда суммарного колебания изменяется с частотой расстройки между собственными и принимаемыми колебаниями, т. е. с частотой биений. Ну а если амплитуда колебаний изменяется, то благодаря действию гридлика изменяется и смещение на сетке лампы. Эти изменения усиливаются лампой, и в телефонах будет слышен звуковой тон биений. Уверен, что подобные биения вы не раз слышали, вращая ручку настройки приемника. Они проявляются в виде свиста, тон которого изменяется от высокого до низкого, а при дальнейшем вращении ручки настройки, напротив, — от низкого до высокого. Правда, в современных радиовещательных приемниках свист — вредный эффект, обусловленный несовершенством самого приемника.

Итак, автодин позволил принимать незатухающие колебания «на биениях» с помощью телефонных трубок. Чувствительность приема, а следовательно, и дальность связи резко возросли. Но мы пока ничего не сказали о радиовещании, а ведь в этой главе предполагалось рассказать именно о нем!

У нас есть генератор незатухающих колебаний и два вида приемников — детекторный и ламповый. Чтобы передать речевой или музыкальный сигнал, инженеры пошли самым очевидным путем — стали изменять амплитуду излучаемых колебаний в такт со звуковым напряжением. В передатчике для этого служила еще одна лампа — модуляторная. В простейшем случае она включалась последовательно с генераторной и регулировала ее анодный ток в такт со звуковыми колебаниями. Ну а чем больше ток генераторной лампы, тем больше и амплитуда колебаний. На детекторный приемник AM сигнал принимался просто — в телефонах прослушивался звук. Сложнее обстояло дело с автодинным приемником. Он был почти идеален по тем временам для приема телеграфных сигналов. Любопытно отметить, что уже в 50-х годах известный советский коротковолновик А. В. Прозоровский предложил схему автодинного приемника для радиолюбителей: он обеспечивал чувствительность в единицы микровольт, позволял принимать сигналы многих удаленных станций! А вот принимать AM станции мешал свист — биения между несущей сигнала и собственными колебаниями. Наметились два пути решения проблемы. Один путь — настроить автодин точно на несущую сигнала. Тогда тон биений понижается до нуля, а собственные колебания «захватываются» несущей сигнала до совпадения с ней по фазе. Поскольку здесь осуществляется синхронизация собственных колебаний принимаемыми, приемник назвали синхродином.

Работал синхродин довольно неустойчиво, поскольку малейшие изменения питающих напряжений или температуры окружающей среды приводили к «уходу» частоты колебаний и появлялся свист — биения. Особенно трудно было принимать слабые сигналы. Решение проблемы нашел американец Э. Армстронг. В 1922 году Армстронг предложил регенеративный приемник для AM сигналов. Схема его практически не отличается от схемы автодина Роунда, но регулировка совсем другая. Перемещая катушку обратной связи, регенератор подводят к самому порогу возникновения колебаний, когда собственных колебаний еще нет, но они вот-вот могут возникнуть. В этих условиях большая часть потерь в колебательном контуре компенсирована (регенерирована) цепью обратной связи, и его эффективная добротность может достигать нескольких тысяч. В результате существенно возрастает селективность приемника. А поскольку пик резонансной кривой высокодобротного контура становится выше, возрастает и чувствительность. Биений нет, поскольку в контуре имеются только колебания принимаемого сигнала. Они детектируются в сеточной цепи и, будучи усиленными лампой, воспроизводятся в телефонах. В 20-е и 30-е годы очень большое распространение получил двухламповых приемник, в котором одна лампа служила регенеративным сеточным детектором, а другая — усилителем звуковой частоты. Вот мы и познакомились с техникой, от которой началось радиовещание. А теперь расскажем о том, как оно развивалось в нашей стране.

У истоков советского радиовещания

Хотя первые опыты по радиосвязи и проводились в России, отсталая самодержавная страна не могла обеспечить быстрых темпов развития радиотехники. Наступил 1917 год. Молодая Советская Республика, окруженная кольцом фронтов гражданской войны, полностью изолирована от внешнего мира. Положение с телеграфной проволочной связью отчаянное — линии порваны, столбы повалены, проволоки нет. О систематическом ремонте проводных линий и говорить нечего. А связь была очень нужна, просто необходима. Естественно, возникла мысль о радио. И 21 июля 1918 года В. И. Лениным был подписан декрет о централизации радиотехнического дела в России. К тому времени неожиданно выяснилось, что в Твери (ныне г. Калинин) на военной радиостанции имеется группа высококвалифицированных специалистов в области радио.

Душой группы был М. А. Бонч-Бруевич. До революции в чине поручика он служил помощником начальника Тверской приемной радиостанции международных сношений. Еще в то время, пользуясь примитивными подручными средствами, он самостоятельно изготавливал электронные лампы. Вот как описывает председатель Радиосовета большевик А. М. Николаев первое посещение Тверской радиостанции:

«Знакомя меня с оборудованием радиостанции, тов. Лещинский (начальник радиостанции) провел меня в следующее отделение барака… «А вот это для души; это наша маленькая радиолаборатория, где мои товарищи по службе занимаются исследованиями». Я вошел в отделение барака, где на столиках были расставлены приемники, аппараты, трансформаторы, связанные между собой тонкими проводничками. Это были рабочие схемы разных опытных установок. Показали мне несколько фокусов, которые радисты обычно показывают дилетантам, — «соловья в приемнике», самозажигающуюся лампу и пр. При осмотре радиолаборатории я обратил внимание на лампочку необычного фасона. Во Франции, где я работал в радиолаборатории одной французской компании, мне приходилось иметь дело с радиолампами, да и в России я видел на наших станциях французские радиолампы, завезенные из Франции во время войны. Показанная мне лампа представляла собой что-то новое. Оказалось, что инженер М. А. Бонч-Бруевич разрабатывал свой тип катодной лампы, которая дает те же результаты, что и французская, но может быть изготовлена из отечественных материалов. Лампа была изготовлена целиком здесь, в лаборатории. Да ведь это же клад! Запасы французских ламп приходили к концу; оцепленные кольцом блокады, мы ниоткуда не могли получить этих ламп, а без них никакая работа по приему заграничных станций немыслима. Но и, кроме того, работа над катодной лампой была всеобщим увлечением специалистов за границей. Покойный Феррье (крупный французский ученый в области радио) говорил мне еще в 1914 году, что катодная лампа имеет большое будущее как генератор. Вспомнились мне эти слова. А тут, в глуши, в бараке, где зимой насквозь свистит ветер, при наличии самого примитивного оборудования создана эта самая катодная лампа, которой принадлежит будущее. Творцы этой лампы-генератора, превратившейся впоследствии в радиотелефон, увлеченные идеей создания своих радиоаппаратов, презирая лишения, голод и холод, самоотверженно трудились над великим делом».

При содействии В. И. Ленина организуется Нижегородская радиолаборатория — первый научно-исследовательский институт Советской Республики. Переехавших в Нижний Новгород сотрудников Тверской радиостанции обеспечили квартирами, одеждой и пайком.

В. И. Ленин лично заботился о нуждах радиолаборатории, всячески подчеркивая спешность и важность ее работ. Весь 1919-й год был годом бурного роста и укрепления радиолаборатории. Она сгруппировала вокруг себя лучшие силы ученых, работающих в области радио. Первоочередными задачами считались — организация производства радиоламп; научные изыскания в области радиотелеграфа, радиотелефона и смежных наук; разработка типовой приемной радиостанции; разработка передатчиков дальнего действия.

К 1920 году М. А. Бонч-Бруевич провел успешный эксперимент с первым радиотелефонным передатчиком. Вот как описывает это А. М. Николаев:

«Первые опыты с радиотелефоном, сконструированным Бонч-Бруевичем, дали благоприятные результаты. Опытная передача, производимая прямо из здания лаборатории, была прямо триумфом радиолаборатории. Из многих мест сыпались телеграммы: «Слышали человеческий голос по радио, объясните!».

Со станций, с которыми было предварительно договорено об опытах, получались депеши: «Слышим хорошо — повторяйте!». Район действия все увеличивался. Стали получать письма, в которых сообщалось немало курьезов, вроде того, что с одним радистом случилось нервное потрясение, когда вдруг вместо обычных телеграфных сигналов Морзе он услышал сильный голос: «Алло, алло! Говорит Нижегородская радиолаборатория, слушайте!».

В. И. Ленин сразу оценил всю важность и перспективность радиотелефонии в деле пропаганды и агитации. Широко известно его письмо М. А. Бонч-Бруевичу:

«Пользуюсь случаем, чтобы выразить Вам глубокую благодарность и сочувствие по поводу большой работы радиоизобретений, которую Вы делаете. Газета без бумаги и «без расстояний», которую Вы создаете, будет великим делом. Всяческое и всемерное содействие обещаю Вам оказывать этой и подобным работам.

С лучшими пожеланиями. В. Ульянов ( Ленин )».

17 марта 1920 года было принято постановление:

«1. Поручить Нижегородской радиолаборатории Наркомпочтеля изготовить в самом срочном порядке не позднее двух с половиной месяцев Центральную радиотелефонную станцию с радиусом действия 2000 верст [1] .

2. Местом установки назначить Москву и к подготовительным работам приступить немедленно…».

Так была открыта зеленая улица строительству радиотелефонных вещательных станций. Первая радиотелефонная станция на Ходынке в Москве вскоре вышла в эфир. Вслед за ней строились и другие. Спустя несколько лет была введена в действие и самая мощная в мире длинноволновая радиостанция им. Коминтерна.

В 1921–1922 годах на бывшей Вознесенской улице Москвы поднялись невиданные москвичам сооружения — две 150-метровые мачты. Это были антенны Центральной радиотелефонной станции имени Коминтерна (ЦРТС). А 7 ноября 1922 года она уже транслировала праздничный концерт. Станцию хорошо принимали не только на территории Советского Союза, но и в других странах.

Несколько лет спустя ввели в строй новый передатчик мощностью 500 кВт. Сейчас здание радиостанции снесено, но имя, данное улице в день рождения ЦРТС, сохранилось — бывшая Вознесенская теперь называется улицей Радио. Непрерывно расширялась и сеть радиоприемников. Детекторные приемники мастерили сами радиолюбители. Разработали и ламповый приемник с «рупором», т. е. громкоговорителем, позволяющим прослушивать передачи многочисленной аудиторией. Множество энтузиастов занялось радиофикацией деревень и сел. Неграмотные крестьяне слушали голос Москвы. Мечта Ленина о митинге с миллионной аудиторией становилась явью.

Разумеется, для крестьян, не умевших ни читать, ни писать, «говорящий ящик» был чудом. Его работа явилась лучшей пропагандой могущества науки и техники. Сколько людей заглядывало за круг картонного диффузора, приоткрывало крышку ящика приемника, пытаясь найти спрятанного диктора! Сельским радиофикаторам хватало работы и по распространению элементарных технических знаний среди слушателей.

Совершенствование техники передачи и приема радиовещательных программ

Все приходилось начинать с нуля. Массу проблем решали радиоспециалисты. Как передать в эфир концерт? Как разместить исполнителей, микрофоны: Как оборудовать радиовещательную студию? Большую помощь оказала в этих вопросах уже достаточно развитая техника граммофонной записи. А с каким восторгом принимались радиослушателями первые концертные программы, передачи голосов известных певцов и музыкантов! Непрерывно возрастало качество радиопередач, расширялся частотный диапазон, уменьшались искажения.

Простейший передатчик, в котором контур автогенератора был связан с антенной, уже не устраивал радиоспециалистов. Мощность можно было увеличить, применив более мощные лампы. Но стоило подуть ветру, раскачать провода антенны, и ее параметры, в частности реактивное сопротивление, изменялись. Изменялась и частота настройки контура, а значит, и частота излучаемого сигнала. Это недопустимо. Большая мощность излучения приводила к нагреву деталей контура, из-за их теплового расширения опять «дрейфовала» частота.

От мощных автогенераторов пришлось отказаться. Теперь радиопередатчики делают по-другому. Маломощный задающий генератор тщательно экранирован и в ряде случаев термостатирован. Его слабый сигнал усиливается промежуточными каскадами, их часто называют буферными. Буферные каскады полностью исключают влияние нагрузки (антенны) на работу задающего генератора. Наконец, мощный каскад — усилитель с внешним возбуждением от промежуточных каскадов. Там применяются специальные, очень мощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода. Выходной контур занимает целую комнату — большая катушка, свернутая из медной трубы, конденсатор с большими зазорами между пластинами. Ведь анодное напряжение исчисляется десятками киловольт. Отдельные комнаты занимают модулятор — мощный усилитель звуковых частот — и выпрямители сетевого напряжения, служащие для питания всей радиостанции. Такая структурная схема радиопередатчика используется и по сей день.

Прогресс радиоэлектроники изменил лишь «начинку» квадратиков, показанных на схеме. Задающий генератор, часть промежуточных каскадов и микрофонный усилитель выполняются теперь на транзисторах и микросхемах.

Структурная схема радиовещательного передатчика.

Все чаще задающим генератором служит синтезатор частоты. Что это такое? Замечательное устройство! Основу его составляет высокостабильный кварцевый генератор или даже атомный стандарт частоты. Его сигнал делится и умножается по частоте на произвольное число, которое можно устанавливать, например, с помощью декадных переключателей. В результате из одной фиксированной стабильной частоты можно получить целую сетку частот с шагом, скажем. 1 кГц или 10 Гц. На одной из частот сетки и работает радиовещательная станция.

Когда мощность радиостанций достигла сотен киловатт (например, радиостанция им. Коминтерна имела мощность 500 кВт), оказалось нецелесообразным получать всю эту мощность от одного каскада. Делают несколько оконечных блоков, каждый, скажем, по 100 кВт. Все блоки возбуждаются в одной и той же фазе от одного задающего генератора. Выходные сигналы блоков складываются в одной общей нагрузке — антенне. При этом в точке питания антенны концентрируется очень большая мощность. Чтобы избежать перенапряжений и сверхтоков, используют проволочные антенны с несколькими снижениями. Каждый мощный блок питает антенну через собственное снижение. Такая конструкция антенны характерна для диапазона длинных волн. Антенны мачты диапазонов длинных и средних волн часто имеют гигантские размеры, достигая в высоту многих десятков метров.

В диапазоне коротких волн советскими специалистами предложен более радикальный способ увеличения излучаемой мощности. Это способ сложения мощностей непосредственно в эфире. Представьте себе несколько передатчиков, каждый со своей антенной, расположенные рядом. Все они возбуждаются одним и тем же задающим генератором и модулируются одной и той же звуковой программой. Фазы возбуждения передатчиков подбирают так, чтобы в желаемом направлении их колебания, излученные антеннами, складывались. Способ сложения мощностей в эфире не только позволяет избавиться от перенапряжений в антеннах, но и существенно увеличивает направленность излучения. Например, если вещание ведется на Дальний Восток, антенны регулируют так, чтобы получать узконаправленный луч только в ту сторону, на восток, и никуда больше. К сожалению, этот способ неприменим в диапазонах длинных и средних воли, где используются ненаправленные антенны.

Принцип построения мощных длинноволновых передатчиков.

Сложение излучаемых мощностей в эфире.

Но и в этих диапазонах все шире используется так называемое синхронное радиовещание. Поясним подробнее, что это такое. На заре радиотехники увеличение радиуса действия радиостанции достигалось лишь одним способом — увеличением ее мощности. Как видим, и радиовещание пережило эпоху гигантомании! Днем на длинных и средних волнах сигнал поступает к приемнику только земной волной — пространственная волна сильно поглощается нижним слоем ионосферы, слоем D. В этих условиях увеличение мощности мало увеличивает радиус действия станции. Он не может превзойти одной-двух тысяч километров. Зато ночью радиус действия резко возрастает благодаря волне, отраженной от ионосферы, и множество сверхмощных передатчиков очень мешают друг другу. А качество приема все равно остается низким, поскольку отраженный сигнал сильно искажается за счет изменчивости ионосферы и интерференции лучей, приходящих к приемнику разными путями. В этих условиях для обеспечения радиовещанием страны или региона выгоднее построить не одну сверхмощную, а сеть маломощных станций, равномерно размещенных на территории. Тогда в любой пункт приходит поверхностная волна от ближайшей станции.

Но как быть, если в данный пункт приходят волны от двух или трех станций? Ничего страшного не случится, если все станции будут передавать одну и ту же программу, а их несущие сигналы будут синхронизированы друг с другом с высокой точностью. На всей территории образуется единое поле волн одинаковой частоты и никаких взаимных помех нет. Для синхронизации сети станций используют сигналы эталонных частот, получаемых от высокостабильных атомных стандартов и излучаемых в эфир специальными радиостанциями. Как мы уже знаем, на европейской территории СССР круглосуточно принимается эталонный сигнал с частотой 66,(6) кГц, излучаемый передатчиком около Москвы, на азиатской территории СССР — 500 кГц, передаваемый из Иркутска. Аналогичные системы имеются и в других странах. На каждой из станций синхронной сети эталонный сигнал принимается, преобразуется по частоте синтезатором и вновь излучается в эфир как несущая уже на рабочей частоте станции. Синхронное радиовещание позволило резко повысить качество приема на длинных и средних волнах.

Сеть синхронного радиовещания.

Посмотрим теперь, как совершенствовалась техника радиоприема. Радиовещательный приемник должен быть массовым, а следовательно, простым, дешевым и легким в производстве. Вот чем объясняются долгая популярность и широкое распространение детекторных приемников. Но желание принимать и дальние станции всегда жило в каждом радиослушателе, а тем более радиолюбителе.

В 20 — 30-е годы был очень популярен одноконтурный двухламповый приемник с регенеративным детектором. Он давал неплохие результаты при относительной простоте конструкции. Дальнейшее совершенствование приемников происходило двумя путями. В приемнике прямого усиления устанавливали несколько радиоламп. Одна, максимум две усиливали высокую (радио) частоту. Затем устанавливали детектор и несколько ламп для усиления низкой (звуковой) частоты.

Приемник прямого усилителя 1-V-1.

Была предложена и специальная система обозначения таких приемников из букв и цифр. Первая цифра означала число каскадов усиления радиочастоты. Вторая буква — тип детектора: V-ламповый, К — кристаллический (полупроводниковый). Третья цифра — число каскадов усиления звуковой частоты. Например, 1-V-2 был достаточно сложным приемником с одним каскадом усилителя радиочастоты (УРЧ) (привыкайте к сокращениям!), ламповым детектором и двумя каскадами усилителя звуковой частоты (УЗЧ). Детекторный приемник в этой системе обозначался как 0-К-0.

Сразу стали очевидны и недостатки приемника прямого усиления. Чем больше каскадов УРЧ, тем, казалось бы, лучше приемник. Но перестраивать одновременно несколько контуров (ведь в каждом каскаде УРЧ минимум по одному контуру), сложно, а параметры контуров изменяются по диапазону, при этом меняется и усиление, и избирательность. Еще хуже обстоит дело в многодиапазонных приемниках, где надо переключать катушки нескольких контуров. Если в диапазонах длинных (ДВ) и средних волн (СВ) с недостатками приемника прямого усиления еще можно мириться, то для диапазона коротких волн построить хороший приемник прямого усиления практически невозможно.

В ламповых приемниках прямого усиления середины 30-х годов применялись радиолампы в больших стеклянных баллонах. Это уже не простейшие триоды. На триоде трудно сделать усилитель радиочастоты, поскольку паразитная обратная связь через емкость сетка-анод приводит к самовозбуждению. Появились экранированные лампы — тетроды с двумя сетками. Вторая сетка служила как бы экраном между управляющей сеткой и анодом; она так и называлась — экранирующей. А чтобы не мешать и даже способствовать движению электронов, на нее подавался положительный потенциал. Но электроны, ускоренные полем экранирующей сетки, бомбардировали анод, вызывая вторичную эмиссию электронов из анода, которым ничего не оставалось, как осесть на экранирующей сетке.

Этот динатронный эффект устранили введением третьей сетки, антидинатронной (защитной), расположенной вблизи анода и имеющей редкие витки. Третья сетка соединялась с катодом. У лампы появился пятый электрод, и она стала называться пентодом. Пентоды имели отличные характеристики и широко использовались вплоть до недавнего времени.

Рядом с лампами установлены контурные катушки в больших цилиндрических алюминиевых экранах и блок конденсаторов переменной емкости, служащий для настройки приемника.

Тетрод и пентод.

Другой путь усовершенствования приемников состоял в использовании супергетеродинной схемы, которую изобрел француз Л. Леви еще в 1917 году, а построил американец Э. Армстронг в 1919 году. Принцип супергетеродинного приема состоит в том, что принятые колебания преобразуются по частоте на фиксированную промежуточную частоту. На ней и происходит основное усиление сигнала. А поскольку промежуточная частота фиксирована, в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) можно использовать много контуров, составляя из них полосовые фильтры, дающие необходимую избирательность. Уменьшается и опасность самовозбуждения, поскольку наводки от УПЧ на вход приемника уже не страшны, ведь он и входные цепи настроены на разные частоты.

Для преобразования частоты нужен специальный генератор — гетеродин. Его колебания смешиваются с колебаниями принимаемого сигнала в специальном элементе приемника смесителе. Смеситель вместе с гетеродином образует преобразователь частоты. В наиболее простых и дешевых моделях приемников смеситель и гетеродин часто совмещают и выполняют на одном активном элементе — транзисторе.

В свое время для преобразователей частоты разработали даже специальные многосеточные лампы пентагриды и гептоды. Две разные управляющие сетки в этих лампах служат для подачи на них напряжений сигнала и гетеродина.

Структурная схема супергетеродина показана на рисунке.

Супергетеродин.

Входной сигнал от антенны поступает на преобразователь частоты, где, смешиваясь с сигналом гетеродина, образует промежуточную частоту (ПЧ). Для подавляющего большинства радиовещательных приемников она выбирается равной 465 кГц. Эта частота лежит как раз между диапазонами длинных и средних волн, на ней не работают радиовещательные станции. Например, мы настроили приемник на радиостанцию, работающую на частоте f c = 873 кГц в диапазоне СВ. Гетеродин при этом возбуждается на частоте f г   = 1338 кГц, а в смесителе преобразование частот происходит по закону f г — f c  = f пч (1338 — 873 = 465 кГц). Далее сигнал усиливается УПЧ на частоте 465 кГц и детектируется так же, как и в приемнике прямого усиления.

Несмотря на множество достоинств, супергетеродин имеет и недостатки. У него есть так называемый зеркальный канал приема. В рассмотренном нами примере промежуточную частоту 465 кГц можно получить и еще одним способом: f' c  — f г = f пч . Следовательно, мешающая станция, работающая на частоте 1803 кГц, даст ту же самую промежуточную частоту 465 кГц, и отделить ее в УПЧ не будет уже никакой возможности. Перед смесителем обязательно нужен преселектор один или два колебательных контура, настроенных на частоту полезного сигнала и ослабляющих прием по зеркальному каналу. Одноконтурный преселектор дает в диапазоне коротких волн очень небольшое ослабление зеркального канала. В этом можно убедиться, внимательно прослушав диапазон КВ с помощью какого-либо не очень сложного радиовещательного приемника с широким обзорным КВ диапазоном. Одну и ту же станцию можно принять при двух положениях ручки настройки. В одном из них гетеродин настраивается на 465 кГц выше частоты сигнала, а в другом — на 465 кГц ниже. Сравнив громкость приема по основному и зеркальному каналам, удается оценить и избирательность входных цепей (преселектора). Описанный недостаток супергетеродина заставляет применять в профессиональных приемниках двух-трехконтурные входные цепи и очень часто — резонансный усилитель высокой частоты.

Другой недостаток супергетеродина, особенно заметный также у простых приемников, — это интерференционные свисты. Вы, наверное, слышали, как эстрадный артист изображает радиоприемник. Он свистит, воет, хрюкает и снова свистит! Свист в его интермедии преобладает, и это соответствует действительности. Откуда же берутся свисты в радиоприемниках?

Прежде всего давайте уясним себе, что любой свист возникает при биениях двух близких по частоте синусоидальных колебаний. Огибающая суммарного сигнала изменяется с разностной частотой (вспомните автодинный прием), и, если этот сигнал попадет на детектор, выделится сигнал звуковой частоты. Иногда даже и детектора не надо — любой усилитель имеет не совсем линейную характеристику и в какой-то мере обязательно детектируют сигнал.

В приемнике прямого усиления свист возникает в единственном случае, когда из эфира приходят два близких по частоте сигнала. Случай достаточно редкий, поскольку все радиостанции работают строго на отведенных им частотах, а любые случаи «радиохулиганства» в эфире пресекаются соответствующими службами всех стран. В супергетеродинном приемнике есть собственный источник помех — гетеродин. Если его частота окажется близкой к частоте какой-либо мощной радиостанции, может появиться свист. Другой возможный случай: мы принимаем какую-либо радиостанцию по основному каналу приема, а на частоте зеркального канала работает другая, мощная, сигнал которой хотя и слабо, но все же проникает через входные цепи. В результате образуется два сигнала промежуточной частоты — один полезный, другой — мешающий. Естественно, что между этими сигналами возникают биения — опять-таки интерференционный свист. Более того, преобразование частоты возможно не только на основной частоте, но и на гармониках гетеродина в соответствии с формулой ±f c ± mf г = f пч , где m любое целое число. Если сигналы помех на входе приемника достаточно сильны, то в преобразователе частоты могут возникать и гармоники частоты сигнала. Чтобы учесть и этот эффект, формулу для определения частот побочных каналов приема придется еще более усложнить: ±nf c ± mf г = f пч , где n и m — любые целые числа.

Интерференционные свисты в радиоприемнике.

Что же делать, чтобы избежать подобных недостатков? Правильно проектировать приемник! Важен выбор режима преобразовательного каскада, обеспечивающий его линейность, важна высокая избирательность входного контура, важен рациональный монтаж приемника. Факторов очень много. Поэтому и качество работы двух приемников, собранных по похожим схемам, может оказаться совершенно разным. Вращаешь ручку настройки одного и часто слышишь свисты: «И…и…у…у, у…у…и…и». Вовсе не значит, что они приходят из эфира. Свисты возникают в самом приемнике! У одного эфир кажется забитым станциями, но это впечатление обманчиво, просто у этого приемника много побочных каналов приема. Обратите внимание: хотя станций и много, передачу большинства из них не то что слушать — разобрать трудно. Хороший приемник мало свистит, станции принимаются чисто, а между станциями есть «чистые» промежутки. Возьмите любой транзисторный приемник, послушайте его работу. Потом присоедините к нему большую внешнюю антенну и снова пройдитесь по диапазонам. Заметили, насколько возрос уровень помех? Благодаря возросшему уровню всех сигналов стали заметнее побочные каналы приема.

Вывод читателю, видимо, уже ясен. Не всегда важна высокая чувствительность, важнее качество работы приемника, его помехоустойчивость. Увлекаться большими антеннами тоже чаще вceгo бесполезно — каждому приемнику лучше всего подходит своя антенна, а какой длины, на этот вопрос лучше всего ответить, подбирая длину антенны экспериментально.

Долгое время самым распространенным был пятиламповый супергетеродинный приемник, разработанный в конце 30-х годов. Основная его модификация содержала следующие каскады: преобразователь частоты с совмещенным гетеродином, выполненный на многосеточной лампе, усилитель ПЧ на пентоде, диодный детектор и двухламповый УЗЧ, причем первая лампа служила усилителем напряжения, а вторая — мощности.

С наступлением эры полупроводников ламповые приемники — мастодонты отошли в прошлое. Основным типом стал легкий портативный транзисторный приемник. Он содержит, как правило, преобразователь частоты с отдельным гетеродином, иногда один каскад усиления радиочастоты, два-три каскада усиления промежуточной частоты, детектор и два-три каскада усиления звуковой частоты. Число моделей транзисторных приемников огромно. Здесь и завоевавшие широкое признание «ВЭФ», «Спидола», «Океан», и более простые «Селга», «Альпинист», и многие-многие другие. Не будет ошибкой сказать, что портативный транзисторный радиоприемник стал нашим спутником в туристических походах.

Современное состояние радиовещания…

В мире огромное количество радиостанций. Как же они не мешают друг другу? Это вопрос вопросов, и решается он многие годы. Сейчас в диапазонах длинных и средних волн введена жесткая сетка для радиовещательных станций. Частотный интервал между несущими выбран равным 9 кГц в Европе и 10 кГц в Америке и Японии. Последние от нас настолько далеко, что слушать их передачи в упомянутых диапазонах нам практически невозможно. Поэтому остановимся подробнее на европейском распределении частот. Все частоты станций на средних волнах кратны частоте 9 кГц, т. е. являются ее гармониками. Убедитесь сами: радиостанции Всесоюзной программы «Маяк» работают на частоте 549 кГц — это 61-я гармоника частоты 9 кГц, другие московские станции — на частотах 846, 873 и 918 кГц — это 94, 97 и 102-я гармоники, Киев — 783 кГц — 87-я гармоника, Ленинград — 801 кГц — 89-я гармоника, Рига — 1350 кГц — 150-я гармоника. Ну и так далее. На длинных волнах сетка частот — 9m, где m — целое число, введена пока только частично, и некоторые радиостанции излучают на частотах старой сетки, их можно найти по формуле 9m + 2 кГц.

При принятом частотном распределении в диапазоне ДВ (150…408 кГц) получается 28 каналов, а в диапазоне СВ (525…1605 кГц) — 120 каналов. Но в европейском регионе радиостанций гораздо больше! Следовательно, на одной и той же частоте должны работать несколько станций. Это также учитывают при распределении частот. И совмещенные каналы отводят станциям, достаточно удаленным друг от друга территориально. В дневное время взаимных помех между ДВ и СВ станциями не возникает вообще, поскольку, как вы, вероятно, помните, пространственная волна поглощается слоем D ионосферы, а поверхностная волна распространяется лишь на ограниченное расстояние. Ну а ночью не удивляйтесь, услышав на какой-либо частоте одновременно две-три радиостанции. Взаимные помехи ночью резко возрастают, и с хорошим качеством слушать передачи удаленных станций удастся нечасто.

В диапазоне КВ также ведутся радиовещательные передачи, и для них выделены специальные участки диапазона: 75 м — 3.95…4.00 МГц; 49 м — 5.95…6,2 МГц; 41 м — 7,16…7,3 МГц; 31 м — 9,5…9,775 МГц; 25 м -11,7…11,975 МГц.

Эти участки установлены отечественным стандартом. На коротких волнах прием ведется, как правило, пространственной волной и хорошего качества воспроизведения музыкальных программ добиться очень трудно из-за замираний сигнала. Сетка частот на КВ установлена с интервалом всего 5 кГц во всем мире, и взаимные помехи между станциями, работающими в совмещенных каналах, могут оказаться очень сильными. Станции, работающие в соседних каналах, также создают чрезвычайно сильные помехи.

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 f 0 . Верхняя боковая полоса простирается до частоты f 0 + F в , а нижняя — до f 0 + F в , где F в - наивысшая звуковая модулирующая частота. Отечественные радиостанции передают спектр звуковых модулирующих частот до F в = 10 кГц. Поэтому даже при сетке частот станций с интервалом 9 кГц их боковые полосы сильно перекрываются. Если две соседние по частоте станции создают у приемника примерно одинаковую напряженность поля, то принимать их без взаимных помех невозможно. Только в случае, когда сигнал одной из станций намного сильнее, принимать ее можно с малыми помехами. В результате в диапазонах ДВ и СВ «чисто» принимаются лишь местные радиовещательные станции, да и то преимущественно днем, когда дальнее прохождение отсутствует. На коротких волнах ситуация еще хуже.

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.

… и перспективы его развития

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 частот и расположение спектров при однополосном радиовещании с независимыми боковыми полосами.

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.

Стереофоническое радиовещание.

Итак, при стереофонии надо передавать уже не один, а два звуковых сигнала. В магнитофонах поступают просто: записывают два канала на две разные дорожки магнитной ленты. А как быть в радиовещании? Строить две радиостанции? Дорого, и к тому же при этом не решается проблема совместимости. Имеется масса радиослушателей с монофоническими приемниками. Настроившись на радиостанцию, ведущую стереофонические передачи, они должны слышать суммарный сигнал левого и правого каналов, а вовсе не один из них.

На УКВ проблему решили следующим образом. Передатчик модулируют, как обычно, суммарным сигналом левого и правого стереоканалов. Но к модулирующему сигналу добавляют поднесущую, лежащую в ультразвуковом диапазоне (31,25 кГц по отечественному стандарту). Поднесущая, в свою очередь, модулирована разностным сигналом двух стереоканалов. Обычный приемник, настроенный на станцию, ведущую стереопередачи, примет лишь суммарный сигнал. Чтобы принять стереопередачу, приемник оснащают специальным устройством — стереодекодером. Он выделяет сигнал поднесущей, детектирует его, полученный разностный сигнал стереоканалов комбинирует с суммарным так, чтобы получились исходные сигналы двух стереоканалов.

Введение поднесущей расширяет спектр модулирующих частот радиостанции до 46 кГц (31,25 + 15 кГц), поэтому описанная система стереофонического вещания может применяться только на УКВ, где она широко и используется. Предложены и другие системы стереофонического вещания, не требующие расширения спектра модулирующих частот. Они могут применяться даже в диапазонах ДВ и СВ. Одна из таких систем предусматривает излучение двух независимых боковых полос AM сигнала, причем одна из боковых полос соответствует левому стереоканалу, другая — правому. Обычный двухполосный AM приемник будет воспроизводить суммарный сигнал двух боковых полос. Но специальный однополосный приемник с синхронным детектором позволит выделить два отдельных сигнала стереоканалов.

На этом главу о радиовещании можно было бы и закончить, если бы — если бы не внедрение во многие отрасли науки и техники цифровой электроники и космической техники. Цифровая электроника и радиовещание — казалось бы, совсем несовместимые вещи! Но мы уже говорили о том, что цифровая техника используется в синтезаторах частоты задающих генераторов радиопередатчиков.

А нельзя ли сделать то же самое и в приемнике? На первый взгляд — сложно и дорого, но только на первый! Стали ведь дешевыми и микрокалькуляторы, и электронные часы, а техника в них ничуть не проще, чем в синтезаторе частоты. Но нужен ли он в приемнике?

Давайте разберемся.

Слушая КВ радиостанцию на простеньком приемнике, вы то и дело тянетесь к ручке настройки, чтобы проверить, нельзя ли настроить приемник получше? И очень часто это удастся. Частота настройки приемника определяется частотой его гетеродина, а она «плывет», «уходит» при изменениях температуры, напряжения сети или батарей и от многих других факторов. Лишь в диапазонах ДВ и отчасти СВ можно быть уверенным, что уход частоты гетеродина будет невелик: намного меньше ширины полосы пропускания приемника.

Поясню сказанное примером. Относительная нестабильность частоты простого гетеродина радиовещательного приемника составляет 10-3…10-4 (0,1…0,01 %). Если гетеродин настроен на частоту 1 МГц (в диапазоне средних волн), абсолютный уход его частоты будет не более 10-3·106 Гц = 1 кГц. При этом сигнал радиостанции еще не выйдет из полосы пропускания приемника, составляющей 4…10 кГц. Но при частоте настройки 10 МГц (в КВ диапазоне 31 м) уход частоты может достигнуть 10 кГц, что приведет к полной потере сигнала станции. Но и значительно меньшие уходы частоты вызывают заметное изменение качества приема.

Неизмеримо более высокие требования к стабильности частоты гетеродинов предъявляются при синхронном приеме двухполосных AM сигналов и при однополосном приеме, когда несущая принимаемого сигнала генерируется в самом приемнике. Исследования показали, что если при приеме речи еще допустима неточность восстановления частоты несущей в несколько десятков герц, то при приеме музыкальных передач ошибка не должна превосходить 1…1,5 Гц. При синхронном приеме несущая должна восстанавливаться с точностью до фазы, при этом частотная ошибка должна равняться нулю. Такого результата добиваются применением специальных систем синхронизации — фазовой автоподстройки гетеродина по несущей сигнала. Но и для работы этих систем точность предварительной установки частоты должна быть высокой, не хуже нескольких десятков, в крайнем случае — сотен герц. Таким образом, новые, прогрессивные методы радиовещания требуют в первую очередь повышения стабильности частоты и передатчиков, и приемников.

Другая проблема. Наконец-то вы настроились, совершая прогулку по эфиру, на желаемую радиостанцию, скажем Вильнюса (частота 666 кГц — легко запомнить!). Хорошо, что частоту я вам назвал, а то как бы вы ее узнали, глядя на механическую шкалу с толстой стрелкой приемника? Деления на шкале редки, стрелка движется с люфтом, да и указаны на ней не частоты, а длины волн, и то очень приблизительно. Можно ли сделать механическую шкалу с точностью отсчета частоты 1 кГц? Можно, и в профессиональных приемниках это делают. Для диапазона СВ такая шкала должна содержать более 1000 делений, и приемник превратился бы из изделия широкого потребления в прецизионный и очень дорогой в производстве аппарат. Но нам-то как быть? Ведь завтра опять захочется послушать Вильнюс и предстоит новый кропотливый поиск в эфире.

Описанные проблемы сразу решаются, если в приемнике есть синтезатор и шкала с цифровым отсчетом частоты. Рассмотрим структурную схему одного из простейших синтезаторов. В нем два генератора; один — кварцевый, настроенный на стабильную фиксированную частоту, другой управляемый, с электронной перестройкой в нужном диапазоне. Он и служит гетеродином приемника. Частоты генератора: один — кварцевый, настроенный на стабильную фиксированную частоту, другой — управляемый, с электронной перестройкой управляющий сигнал, подстраивающий гетеродин до тех пор, пока поделенные частоты не совпадут абсолютно точно. Частота гетеродина оказывается равной f г = (n/m)·f кв . Рассмотрим числовой пример: пусть частота кварцевого генератора f кв = 1000 кГц, а коэффициенты деления m = 1000, n = 549. Получаем частоту гетеродина f г = 549 кГц, что соответствует частоте радиостанций второй Общесоюзной программы «Маяк». Изменяя коэффициент деления n, можно получать сетку частот через 1 кГц.

Стабильность частоты синтезатора определяется встроенным кварцевым генератором и может быть сделана достаточно высокой (10-6…10-7). Никаких уходов частоты настройки приемника! А глядя на цифровой индикатор шкалы, вы будете знать частоту настройки точно и сможете настроиться на желаемую станцию еще до того, как она выйдет в эфир. Открываются и новые широчайшие возможности. Настройку можно сделать скачками по 9 кГц в диапазонах ДВ и СВ и 5 кГц в диапазоне КВ в соответствии с принятой сеткой частот радиостанций. Можно и вообще отказаться от традиционной ручки настройки и заменить ее двумя кнопками «перестройка вверх» и «перестройка вниз» (по частоте, разумеется).

Синтезатор частоты.

В приемнике с синтезатором частоты легко ввести и устройство автоматической настройки, перестраивающее приемник до тех пор, пока не будет принят сигнал радиостанции. После приема сигнала достаточного уровня перестройка прекращается. Можно, наконец, ввести клавишный набор частоты настройки с помощью такой же клавиатуры, как в микрокалькуляторе. И так же, как в микрокалькуляторе, можно обеспечить запоминание набранной частоты настройки. Имея память на 8, 16 или 32 частоты настройки, уже и набирать на клавиатуре ничего не потребуется — достаточно будет нажать лишь номер нужной ячейки памяти. Клавиатуру набора частоты не обязательно размещать в самом приемнике, ведь она непосредственно не связана с гетеродином. Легко осуществляется дистанционное управление приемником с выносной клавиатуры, связанной с приемником кабелем, ультразвуковой или инфракрасной линией передачи. v

Все, что здесь рассказано, — вовсе не техника будущего. Это есть уже сегодня и используется в большинстве современных профессиональных и некоторых полупрофессиональных приемниках. Есть приемники, в которых управление синтезатором осуществляет микропроцессор. Возможностей у них еще больше. Ими можно управлять дистанционно по телефонной линии и по программе заложенной в памяти.

Особый интерес вызывает возможность использования микропроцессора для фильтрации сигнала, т. е. выделения его из множества мешающих сигналов и шумов эфира. Цифровые фильтры могут иметь характеристики, намного превосходящие характеристики обычных, аналоговых фильтров. Возможно, например, получение практически идеально прямоугольной АЧХ. Такой фильтр пропустит только спектр полезного сигнала, а все другие сигналы почти полностью подавит. В цифровом фильтре входной аналоговый сигнал сначала преобразуется в цифровую форму, затем обрабатывается микропроцессором, а далее снова преобразуется в аналоговую форму. В некоторых приемниках специального назначения, в частности радиолокационных, цифровые устройства обработки сигналов уже используются. Время внедрения цифровых фильтров в радиовещательные приемники пока, видимо, еще не наступило.

Более того, сами передаваемые сигналы в радиовещании по-прежнему остаются аналоговыми. Помните, как цифровые способы передачи позволили повысить качество телефонной связи? Нельзя ли то же самое сделать и в радиовещании: преобразовать передаваемую программу в поток цифровых сигналов и так излучать ее в эфир? Накопить в памяти больших ЭВМ, восстановить (регенерировать), если она искажена помехами? Разумеется, можно! И инженеры сейчас уже работают в области цифрового радиовещания. Переход к цифре сулит необыкновенное улучшение качества звуковоспроизведения: нелинейные искажения менее одной тысячной процента и отношение сигнал-шум более 90 дБ становятся реальностью. На практике это означает, что человек, закрыв глаза, не сможет отличить звук, передаваемый по радио, от звука, непосредственно приходящего со сцены. Но проблем предстоит решить еще очень много.

Для цифровой передачи необходима очень широкая полоса частот, и вещание возможно лишь в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Техника цифрового радиовещания разрабатывается в нашей стране с 1982 года. К настоящему времени уже подготовлена экспериментальная система цифрового вещания для Ленинграда и Таллина. Предполагается, что один передатчик, используя технику цифрового уплотнения каналов, будет передавать пять стереопрограмм или 10 монофонических программ на одной несущей. Сигнал будет приниматься коллективной антенной, оснащенной коллективным приемником, установленным, скажем, в подъезде вашего дома. Оконечные устройства приемника, установленные в каждой квартире, позволят радиослушателям выбрать из пяти программ любую желаемую. Благодаря использованию интегральной техники оконечные устройства получаются сравнительно недорогими, но, несмотря на это, обеспечивают радиослушателям дополнительные сервисные удобства. Техника развивается быстро, и вполне возможно, что через несколько лет цифровое стереофоническое радиовещание станет обыденным явлением!

Теперь несколько слов о космической технике. Повышение качества радиопередач требует применения частотной модуляции или цифровых способов передачи. Но это возможно только на УКВ, которые не огибают сферическую поверхность Земли, и поэтому радиус действия УКВ передатчиков резко ограничен. А не поднять ли передатчик на искусственный спутник Земли? Тогда он осветит почти половину земного шара! Подобная задача уже вполне по плечу современной космической технике.

Излучение со спутника выгодно еще и тем, что сигнал к слушателю приходит сверху, становятся ненужными высокие антенны, резко уменьшаются зоны «затенения» сигнала высокими зданиями, холмами и другими неровностями рельефа. Конечно, и здесь много своих проблем. Выбор орбиты, например. Если использовать спутники на низких эллиптических орбитах, то для непрерывного вещания нужно несколько спутников. Один будет работать, пока другие за горизонтом. Очень привлекательно расположение спутника на геостационарной орбите, проходящей на высоте 36 000 км над поверхностью Земли. Период обращения такого спутника в точности равен земным суткам. Вращается Земля, и вращается спутник. В результате земному наблюдателю кажется, что спутник постоянно «висит» над одной и той же точкой поверхности. Правда, точка эта находится на экваторе. Поэтому геостационарный спутник виден низко над горизонтом в северных районах пашей страны, зато на нем можно установить большие направленные антенны и обслуживать радиовещанием только определенные участки поверхности Земли. По-видимому, проблема спутникового радиовещания будет решаться в ближайшие годы комплексно, вместе с развитием спутникового телевидения, о котором мы узнаем в следующих главах.