Радио и телевидение?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Развитие микроэлектроники определяется прежде всего прогрессом электронной вычислительной техники. ЭВМ содержат тысячи компонентов. Исследователи стремятся всемерно уменьшить размеры компонентов не только для того, чтобы выиграть место, но и для того, чтобы машины могли работать быстрее. Ведь некоторые операции в машинах производятся за доли наносекунды. А какой длины путь проходит электрический ток за одну наносекунду, даже если он движется со скоростью света? Он проходит за это время только 30 см. Это должно показать тебе, что, если хотят обеспечить максимальное быстродействие ЭВМ, необходимо до минимума сократить расстояния между компонентами.

Однако не будем слишком углубляться в вычислительную технику. Тебе, Незнайкин, предстоит еще немало изучить в области звукозаписывающей и телевизионной техники.

Беседа четырнадцатая

ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

В чем заключаются принципы частотной модуляции? Почему передачи с частотной модуляцией должны производиться на метровых волнах? Какими преимуществами обладает частотная модуляция по сравнению с классической амплитудной модуляцией? Как осуществляется частотная модуляция в передатчиках? Все эти вопросы обсуждаются в этой беседе.

Сколько передатчиков может работать в каждом диапазоне волн?

Незнайкин. — В мой день рождения родители сделали мне подарок, который привел меня в восторг: чудесный переносный радиоприемник довольно больших размеров. Он имеет три диапазона: ДВ, СВ и УКВ. Третий диапазон обозначен буквами ЧМ, смысла которых я, по правде говоря, не понял, а на шкале для настройки обозначены частоты от 65,8 до 73 МГц. Я рассчитал, что эти частоты соответствуют волнам длиной от 4,56 до 4,11 м. Это ужасно узкий диапазон. И тем не менее мне удалось принять передачи нескольких станций. Самое любопытное то, что эти передачи отличаются изумительной чистотой звучания.

Любознайкин. — Буквы ЧМ обозначают, что передачи в этом диапазоне ведутся с частотной модуляцией. По сравнению с амплитудной модуляцией (AM), используемой на длинных и средних волнах, частотная модуляция обеспечивает более высококачественное воспроизведение принимаемых программ.

Но прежде чем приступить к объяснению, я хочу отметить, что диапазон, в котором ведутся передачи с ЧМ, совсем не так узок, как ты сказал.

Н. — Мой дорогой друг, я достаточно силен в математике, чтобы утверждать, что интервал между 4,11 и 4,56 составляет всего-навсего 45 см. Тогда как диапазон СВ простирается от 185 до 580 м, что составляет почти 300 м. Я уже не говорю о диапазоне ДВ, растянувшемся на 800 м.

Л. — Мне хотелось бы, чтобы ты иначе рассматривал длину волн. Давай произведем некоторые расчеты.

Помнишь, что объяснял мой дядюшка относительно ширины полосы частот при AM? Полоса передаваемых звуковых частот ограничена 4500 Гц. Она образует по обе стороны несущей волны полосы модуляции шириной 4500 Гц. Это означает, что каждая передача с AM занимает в общей сложности полосу частот шириной 9 кГц.

Н. — Я помню. По этой причине частоты несущих волн передающих станций разнесены на 9 кГц.

Л. — Совершенно верно. Сможешь ли ты подсчитать, сколько станций с разнесенными таким образом частотами может уместиться в диапазоне ДВ, занимающем полосу частот от 150 до 350 кГц?

Н. — Рассчитать легко. Ширина диапазона составляет 200 кГц. Разделив эту величину на 9 кГц, я определил, что в этом диапазоне волн могут работать 22 передатчика.

Л. — А теперь проделай эти же расчеты для диапазона СВ, частоты которого находятся в пределах от 500 до 1650 кГц.

Н. — Хорошо. Здесь располагаем полосой 1150 кГц. Если я разделю это число на 9, то получу почти 128. Вот какое количество станций может одновременно работать в диапазоне СВ на различных частотах несущих волн.

А теперь и без просьбы с твоей стороны я проделаю эти же расчеты для диапазона ЧМ, имеющего частоты от 65,8 до 73 МГц. Ширина диапазона равна 7,2 МГц, или 7200 кГц. Деление этого числа на 9 дает 800. Просто чудовищно! Я никогда бы не подумал, что на этом пространстве в 45 см можно разместить такое большое количество передатчиков, частоты которых различаются между собой на 9 кГц.

Ширина боковых полос при ЧМ

Л. — На самом же деле, дорогой Незнайкин, в этом интервале может уместиться лишь несколько больше 20 передатчиков с ЧМ, имеющих разные несущие частоты. Дело в том, что они должны разноситься уже не на 9, а на 300 кГц.

Н. — Почему такой чудовищный разнос? Неужели ширина каждой боковой полосы достигает 150 кГц? Ведь диапазон слышимых частот не превышает 20 кГц.

Л. — Это верно, но в ЧМ отклонения частоты от несущей определяются не частотой модулирующих звуков, а их амплитудой. И когда амплитуды очень велики, частоты отклоняются на 100 кГц по обе стороны от несущей. Таким образом, общая полоса, занимаемая каждым передатчиком, достигает 200 кГц. И чтобы избежать интерференции между волнами двух передатчиков, предпочитают разнести их несущие на 300 кГц.

Дальность распространения метровых волн

Н. — Одним словом, несмотря на этот чудовищный разнос, можно иметь несколько больше 20 передающих станций с длиной волны в пределах от 4,11 до 4,56 м.

Л. — На практике же их значительно больше. Ведь можно иметь несколько передатчиков с одной и той же несущей частотой. Нужно только, чтобы они были расположены достаточно далеко друг от друга. Ты же знаешь, что дальность распространения метровых волн весьма ограничена. Она не превышает сотни километров.

Н. — Да, я вспоминаю, что эти волны ведут себя подобно световым. Они распространяются прямолинейно и не отражаются ионосферой, как это происходит со средними волнами, которые благодаря этому могут обнаруживаться на больших расстояниях.

Н. — В самом деле, метровые волны легко проникают в ионосферу, где и поглощаются. Для обеспечения достаточной дальности распространения необходимо антенну располагать как можно более высоко. Так, например, в Париже три программы ЧМ передаются антеннами, установленными на вершине Эйфелевой башни.

Принцип и преимущества ЧМ

Н. — Не можешь ли ты объяснить мне теперь, в чем заключается принцип ЧМ и какими преимуществами обладает она по сравнению с AM?

Л. — При ЧМ амплитуда несущей волны не изменяется. В зависимости от мгновенных значений передаваемых звуковых сигналов изменяется частота излучаемых волн, а величина этих частотных изменений определяется амплитудой сигналов НЧ (рис. 164).

Рис. 164. Модулирующий сигнал низкой частоты (а) и модулированный по частоте ток высокой частоты — его амплитуда остается неизменной (б).

Н. — Именно это и объясняет чудовищную ширину боковых полос модуляции, которые, как ты мне сказал, могут достигать 100 кГц.

Л. — Разумеется, и благодаря этому можно получить очень высокое соотношение между фортиссимо и пианиссимо передаваемых звуков.

Н. — Почему? Ведь при AM можно иметь удвоенные амплитуды, а на другом конце волны амплитуды почти равны нулю.

Л. — Эта последняя возможность… невозможна. Нельзя чрезмерно снижать амплитуду волн, так как они должны оставаться выше уровня фонового шума.

Н. — Что ты так называешь? Не своеобразный ли свист, слышимый в приемнике при отсутствии передачи?

Л. — Точно. Это вызывается целым комплексом внутренних и внешних факторов. Во-первых, существуют атмосферные и промышленные помехи; во-вторых, в самом приемнике (в полупроводниковых приборах и в резисторах) наблюдается тепловое движение, порождающее этот свист, уровень которого должны превосходить даже самые слабые ноты передаваемой музыки. Это означает, что соотношение между самыми сильными и самыми слабыми звуками, передаваемыми с AM, относительно ограничено (рис. 165).

Рис. 165. При AM пределы модуляции ограничиваются удвоенной амплитудой немодулированной волны по максимуму и внутренними шумами (по минимуму).

Н. — А каково наибольшее соотношение между фортиссимо и пианиссимо оркестра, когда мы его слушаем в зале?

Л. — Оно может достигать десяти тысяч. Даже при ЧМ при приеме нельзя воспроизвести такого высокого соотношения. Однако удастся получить вполне достаточное соотношение в громкости звуков.