Юный техник, 2012 № 02

Очевидно, что при отрицательной полуволне звукового напряжения амплитуда может упасть только до нуля, а при положительной полуволне — возрасти не более чем в два раза (иначе будет перемодуляция и искажения). Это соответствует коэффициенту модуляции (отношению амплитуды колебаний звуковой частоты к амплитуде несущей) m = 1. Это возможно только на пиках звукового сигнала, в среднем же модуляция получается мелкой, a m << 1.

Разберем теперь спектры сигналов при амплитудной модуляции. Говорят, что радиостанция работает на какой-то определенной частоте, например 549 кГц («Маяк» в диапазоне СВ). Но на самом деле сигнал радиостанции занимает некоторую полосу частот вокруг указываемой в справочниках. Для более подробного рассмотрения данного вопроса допустим, что модуляция производится чистым тоном, то есть звуковым сигналом с одной-единственной частотой F.

В этом разделе нам удобнее будет пользоваться не циклическими частотами f и F, соответствующими числу колебаний в секунду, а угловыми частотами ω и Ω, связанными с циклическими простыми соотношениями: ω = 2π∙f∙Ω = 2π∙F. Модулированный АМ-сигнал записывается в виде:

s(t) = (1 + m∙cos Ω∙t)∙cos Ω∙t, где m — коэффициент модуляции, m < 1. Это выражение в точности описывает форму сигнала 3 на рисунке 1. Но его можно представить и в другой форме, раскрыв скобки и воспользовавшись известными тригонометрическими формулами для произведения двух косинусов: s(t) = cos Ω∙t

+ (m/2)∙cos(ω + Ω)∙t + (m/2)∙cos(ω — Ω)∙t.

Теперь мы видим, что излучается не один сигнал, а целых три, в соответствии с тремя слагаемыми этого выражения.

Спектральная диаграмма излучаемого сигнала показана на рисунке 2. Слева на ней в виде вертикальноq линии показана звуковая частота F, в середине — несущая частота f₀, соответствующая первому слагаемому, а по бокам от нее еще две частоты, соответствующие остальным слагаемым, на частотах f₀ + F и f₀ — F. Их так и называют: боковые частоты, верхняя и нижняя.

Боковых частот нет в отсутствии модуляции, когда m = 0, но они возрастают до половины уровня несущей (который для простоты рассуждений принят единичным) при полной модуляции, когда ш = 1. Мощность же каждой из боковых частот пропорциональна квадрату их амплитуды и изменяется при возрастании коэффициента модуляции от нуля до четверти от мощности несущей.

Телеграф вполне можно передавать таким способом, это будет «тональный телеграф», еще применявшийся во время Второй мировой войны и до сих пор используемый в аэродромных радиомаяках. В диапазонах СВ и ДВ они передают обычно две буквы своего позывного через небольшие интервалы времени. Но такой способ передачи телеграфа с помощью AM неэффективен, и на КВ от него отказались, используя просто манипуляцию несущей с помощью телеграфного ключа. При этом передатчик излучает гораздо более узкий спектр шириной всего несколько десятков герц (тем шире, чем выше скорость манипуляции). Модулятор и усилитель 3Ч в телеграфном КВ-передатчике не нужны. Но на радиовещательный приемник такой телеграфный сигнал уже не услышишь, нужен специальный приемник с так называемым «телеграфным гетеродином».

Вернемся к AM.

Что же получится, если модулировать несущую не чистым тоном, а некоторым спектром звуковых частот, соответствующим речи или музыке? Каждый компонент звукового спектра образует свою пару боковых частот, и получается сложный спектр модулированного сигнала, содержащий несущую, верхнюю и нижнюю боковые полосы, как показано на рисунке 3. Верхняя боковая полоса (ВВП) в точности соответствует спектру звуковых частот (ЗЧ), но смещена по оси частот вверх на интервал, соответствующий значению несущей f₀.

Нижняя боковая полоса (НБП) также точно отображает спектр звуковых частот, но зеркально отражает верхнюю боковую полосу относительно несущей. По-прежнему боковые полосы исчезают при отсутствии модуляции, и их суммарная мощность и возрастает до половины мощности несущей на пиках модуляции.

Теперь можно с определенностью ответить на вопрос о том, какую полосу частот занимает сигнал радиостанции. В справочниках указывают частоту несущей f₀, расположенной в середине спектра АМ-сигнала, а полная ширина полосы сигнала соответствует удвоенной верхней модулирующей частоте FB. В соответствии с отечественными ГОСТ верхняя модулирующая частота принята равной 10 кГц, следовательно, ширина спектра частот сигнала радиостанции составляет 20 кГц.

Частотная модуляция

AM используют только в диапазонах длинных, средних и коротких волн. На УКВ применяется другой вид — частотная модуляция, или ЧМ. То же в иностранной литературе и в названиях импортных приемников обозначается как FM (Frequency Modulation). При ЧМ в такт со звуковым сигналом изменяется частота излучаемых колебаний, а амплитуда их остается неизменной, как показано на рисунке 4.