Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

Рис. 11.41. К пояснению работы гетеродинного радиоприемника

Мы опять видим знакомый детекторный приемник, правда, несколько модернизированный. В контур введен генератор гармонического (синусоидального) колебания G, называемый гетеродином. Имеется также нелинейный элемент — полупроводниковый диод VD. Наличие нелинейности — принципиально важный момент для гетеродинного приемника, так как только нелинейный элемент может осуществлять преобразование сигналов. Чтобы показать, как это преобразование осуществляется, заглянем в школьный курс тригонометрии.

Для простоты будем считать, что приемник получает из антенны гармонический сигнал, который математически можно записать так:

где Uam — амплитуда сигнала, получаемого из антенны;

fa — частота принимаемого сигнала.

Генератор G создает другой синусоидальный сигнал, который записывается так:

где UGm — амплитуда сигнала, получаемого от генератора;

fG — частота сигнала генератора.

Оба сигнала, складываясь, воздействуют на нелинейный элемент — полупроводниковый диод — и в результате на конденсаторе С2 выделяется сигнал, который можно записать в виде:

где k — коэффициент пропорциональности, характеризующий качество преобразования.

Замечаем, что выходной сигнал будет содержать как очень высокую частоту — суммарную, складывающуюся из частоты гетеродина и несущей сигнала, так и низкую, состоящую из разности этих частот.

Здесь, чтобы понять процессы., происходящие в гетеродинном приемнике, сделаем небольшое отступление и разберемся в спектрах модулированных колебаний.

Помните, мы не раз уже говорили о том, что любой сигнал можно схематически изобразить как во временной, так и в частотной системах координат. Сейчас вы без труда изобразите синусоидальный сигнал во временной области — это «змейка», колеблющаяся относительно горизонтальной оси.

А вот как выглядит этот же синусоидальный сигнал в частотной области? Удивительно, но — очень просто! Взгляните на рис. 11.42.

Рис. 11.42. Вид синусоидального сигнала в частотной области (спектр)

Сигнал показан вертикальной палочкой, размер которой равен амплитуде сигнала и расположенной на частоте fc — частоте сигнала.

Все довольно просто, когда в электрической цепи мы наблюдаем одиночный синусоидальный сигнал. А если в этой цепи имеется несколько разночастотных синусоидальных сигналов? Рассмотреть их во временной области «в лоб» мы не сможем — увидеть удастся только малопонятное их переплетение. Выручит информация, представленная в частотной области, — спектр сигналов. На рис. 11.43 показан спектр трех синусоидальных сигналов с разными частотами и амплитудами.

Рис. 11.43. Спектр трех синусоидальных сигналов

Примерно так же выглядит распределение сигналов радиостанций в эфире. Чтобы выделить нужный Сигнал на фоне мешающих, нужно «вырезать» его из всего спектра фильтром, роль которого в простейшем случае выполняет одиночный колебательный контур или регенеративный каскад. На рис. 11.44 видно, что с помощью операции селекции частота f2 будет принята, а соседние частоты — нет.

Рис. 11.44. Выделение нужного сигнала из спектра

Чтобы принять частоту f1 или f3 нужно перестроить фильтр на желаемую частоту. Из сказанного внимательный читатель может сделать справедливый вывод, что слишком широкая резонансная кривая может захватить и соседние — мешающие — частоты. Значит, нужно делать селективную кривую как можно острее, тогда и качество приемника будет лучше. Все правильно, но до определенного момента. Если читатель не только листал страницы этой главы, лежа на уютном диване, но еще и работал руками, изготавливая и налаживая радиоприемники, он наверняка заметил, что регенеративный приемник не может обеспечить хорошее качество звука при слишком большой степени регенерации, — звук становится неестественным, «бубнящим». Почему?

Действительно, есть смысл повышать добротность резонансного контура при приеме синусоидальных сигналов, что и используется в специальных приборах для изучения спектров сложных сигналов — селективных вольтметрах. Сигнал радиовещательной или связной радиостанции в отсутствие передачи действительно представляет собой в частотной области одиночную вертикальную дискрету. Но слушателю неинтересно принимать высокочастотные сигналы — он хочет слышать звуки. Для этого, как мы уже отлично знаем, сигнал несущей модулируют. И вот здесь картина резко меняется! Допустим сначала для простоты, что модуляция типа AM осуществляется синусоидальным сигналом частоты F, который лежит в звуковой области. Спектр АМ-колебаний в этом случае будет выглядеть так, как показано на рис. 11.45.

Рис. 11.45. Спектр AM колебания при модуляции синусоидальным сигналом с частотой F

Мы увидим дискрету несущей частоты (f0) и еще две составляющие с частотами (f0 — F) и (f0 + F). Эти частоты называются нижней и верхней боковыми полосами спектра АМ-колебания. «А нельзя ли «обрезать» боковые полосы при приеме?» — спросит читатель. Нет, нельзя! Как только мы «забудем» хотя бы про малую толику любой из спектральных составляющих АМ-колебания, мы исказим сигнал во временной области. Поэтому в простых радиоприемниках делают так, чтобы все составляющие принимаемого сигнала попадали в полосу резонансного контура.

Модуляция синусоидальным сигналом звуковой частоты используется в радиотелеграфии. С помощью таких сигналов удобно вести работу «морзянкой». Звуковые же сигналы намного сложнее. Они не повторяются во временной области, содержат множество частот, и при их представлении в частотной области рисовать дискреты уже не получится. Звуковой сигнал имеет непрерывный спектр, показанный на рис. 11.46.

Рис. 11.46. Спектр звуковых сигналов

Более того, вершина этого спектра постоянно «дышит» — меняется ее форма, подобно тому, как прыгают столбики на пульте профессионального звукооператора. Что же делать, как описать такой сигнал, как обеспечить его качественную передачу? Тоже очень просто!

Достаточно обеспечить в передающем устройстве возможность пропускания частот от десятка герц до десятка килогерц, и весь сигнал «уйдет» в эфир.

Структура спектра АМ-колебания, модулированного звуковым сигналом, показана на рис. 11.47.

Рис. 11.47. Спектр АМ-колебания при модуляции звуковым сигналом

Прием такого АМ-колебания сопровождается требованием определенной ширины селективной кривой приемника, как показано на рис. 11.48.

Рис. 11.48. Прием спектра AM колебания

ЧМ-модуляция по своему частотному представлению сложнее AM-модуляции. Мы не будем подробно углубляться в особенности этих спектральных характеристик, скажем лишь, что ЧМ-колебания требуют для своего приема более широкие полосы пропускания входных каскадов радиоприемников. На рис. 11.49 показан спектр ЧМ-колебания при модуляции синусоидальным сигналом.

Рис. 11.49. Спектр ЧМ-колебания, модулированного синусоидальным сигналом F

Как и раньше, мы видим частоту несущей (f0) и две боковые полосы, однако, кроме составляющих (f0 — F) и (f0 + F), появляются и составляющие (f0 — 2F), (f0 — 3F), (f0 + 2F), (f0 + 3F), называемые побочными гармониками. Число побочных гармоник в значительной степени зависит от соотношения максимальной и минимальной частот несущей при модуляции…

Почему в звуковой области совпали верхняя боковая и нижняя боковая полосы? Очень просто: теоретически нижняя боковая полоса попадает в область отрицательных частот, чего, конечно, в реальной жизни не бывает. Поэтому она отображается относительно вертикальной координатной оси, накладывался на верхнюю боковую полосу. Обе боковые полосы идентична друг другу, поэтому теоретически при наложении не должно происходить никаких неприятных эффектов.