Амплитудная модуляция. Супергетеродинным приемник
В теории связи говорят о «каналах» связи, т. е. о способе передачи информации от А к Б. Например, каналы могут быть кабельными или в виде линий из оптического волокна. Радиочастотный канал связи охватывает спектр электромагнитных колебаний, который, грубо говоря, начинается с очень низких частот (НЧ) в несколько килогерц, проходит область коротких волн от нескольких мегагерц до нескольких десятков мегагерц (ВЧ), область очень высоких частот (СВЧ) и сверхвысоких (ультравысоких) частот (УВЧ), доходящих до нескольких сотен мегагерц, и микроволновую область, начинающуюся около 1 ГГц.
Сигнал, содержащий речь, переносится радиочастотным каналом благодаря тому, что он модулирует несущую частоту радиодиапазона. Важно понять, почему вообще это делается так, а не осуществляется прямая передача речи. Для этого имеются две основные причины.
Во-первых, если бы информация передавалась в ее естественной полосе радиоволнами очень низких частот (НЧ), то любые два сигнала стали бы перекрываться и служить помехой друг другу. Т. е. кодируя информацию несущими частотами, находящимися в разных частях спектра, мы получаем сигналы на многих частотах и, таким образом, устанавливаем одновременно много каналов связи.
Во-вторых, одни длины волн более пригодны для генерации и распространения, другие менее. Например, в области от 5 до 30 МГц сигналы обходят Землю вокруг за счет многократных отражений от ионосферы, а в микроволновой области узкие направленные пучки можно формировать с помощью антенн умеренных размеров. Поэтому область ВЧ (коротких волн) используется для связи за линией горизонта, в то время как микроволновая область используется с ретрансляторами в пределах прямой видимости и в радиолокации.
Модуляцию несущего сигнала можно осуществить несколькими путями. Грубо говоря, все методы имеют общее свойство, а именно модулированный сигнал занимает полосу частот, по крайней мере сравнимую с полосой модулирующего сигнала, т. е. полосой посылаемой информации. Таким образом, высокая точность воспроизведения при передаче звука получается при полосе не менее 20-40 кГц безотносительно к несущей частоте.
Совершенно немодулированный сигнал имеет нулевую ширину полосы и не передает информацию. Передача низкоинформатированного содержания, как, например, телеграфная связь, занимает относительно узкую часть спектра (возможно, 50-100 Гц). В то время как передача телевизионного изображения требует уже нескольких мегагерц. Следует отметить, что большая информация может переноситься каналом с данной шириной полосы, если отношение сигнал/шум (С/Ш) достаточно высоко. Такое «частотное сжатие» основывается на том, что «емкость канала» равна ширине полосы, умноженной на log2 (С/Ш).
Простейшая форма модуляции
Простейшей формой модуляции является амплитудная модуляция (AM). Представим простой несущий сигнал, cosωн, изменяемый по амплитуде под действием модулирующего сигнала более низкой частоты, cosωм, в следующем виде:
сигнал = (1 + m cosωм t) cosωн t,
где m — «индекс модуляции», меньший или равный 1. Раскрыв произведение, получим:
сигнал = cosωн + ⅟2 m cos(ωн + ωм)t + ⅟2 m cos(ωн — ωм)t
т. е. энергия модулированного несущего сигнала сосредоточена на частоте ωн и на частотах, отстоящих по обе стороны от ωн и ωм.
На рисунке изображены такой сигнал и его спектр.
Здесь глубина (или индекс) модуляции т равна 50%, а две боковые частоты несут каждая по 1/16 доли от энергии, содержащейся в несущем сигнале.
Если моделирующий сигнал имеет сложную форму волны [f(t)], как, например, речь, то амплитудно-модулированная волна определяется выражением:
сигнал = [А + [f(t)] cosωн t,
где постоянная величина А должна быть настолько большой, чтобы A +f(t) всегда было положительным. Тогда спектр будет просто симметричной функцией относительно несущей частоты.
AM-генерация и детектирование
Генерация амплитудно-модулированных сигналов радиодиапазона легко осуществляется любым методом, при котором амплитуда сигнала управляется напряжением по линейному закону. Обычно изменяют напряжение питания ВЧ-усилителя (если модуляция осуществляется в выходном каскаде) или используют ИМС переумножителя, например 1496.
Если модуляция происходит на каскаде с низшим уровнем сигнала, то все последующие каскады должны быть линейными. Заметим, что при амплитудной модуляции модулирующий сигнал должен иметь постоянное смещение, чтобы он никогда не принимал отрицательное значение. Графически это показано на рисунке:
Простейший приемник ДМ (прямого усиления) состоит из нескольких перестраиваемых резонансных ВЧ-каскадов усиления, за которыми следует диодный детектор.
Усилительные каскады обеспечивают избирательность по отношению к сигналам, отличающимся по частоте, и усиливают входные сигналы (уровень которых бывает порядка микровольт) до уровня, необходимого для детектора. Последний просто выпрямляет ВЧ-сигнал, а затем восстанавливает плавную «огибающую» с помощью фильтра низких частот. Фильтр низких частот должен подавлять радиочастоты, в то время как звуковые частоты проходят неослабленными. Эта простая схема оставляет желать много лучшего. Фактически она представляет собой простой набор известных элементов.
Супергетеродинным приемник
Приемники, состоящие из последовательно включенных ВЧ-усилителей, неудобны по нескольким причинам.
Во-первых, отдельные каскады должны быть настроены на одну и ту же частоту, что требует либо очень большой координированности в работе с большим количеством ручек или же чрезвычайно точного согласования набора одновременно настраиваемых LC-контуров.
Во-вторых, поскольку общая частотная избирательность определяется характеристиками всех усилителей в совокупности, форма полосы пропускания будет зависеть от точности настройки каждого усилителя.
Отдельные усилители не могут иметь столь узкополосную характеристику, как это хотелось бы, так как настройка в этом случае была бы практически невозможна. И поскольку принимаемый сигнал может быть любой частоты в пределах области настройки усилителей, нельзя использовать пьезофильтры для получения плоской полосы пропускания с резкими спадами по краям (крутые «фронты»), что обычно очень нежелательно.
Прекрасное решение этих проблем дает применение супергетеродинного приемника («супергетеродина»), показанного на рисунке:
Поступающий сигнал усиливается одним каскадом ВЧ-усилителя, смешивается с сигналом локального генератора (ЛГ), и при этом получается сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ), в данном случае равной 455 кГц. После этого следует набор резонансных усилителей с фиксированной настройкой на ПЧ, в которые входят селективные элементы, такие, как пьезокристаллические или механические фильтры.
Схема заканчивается детектором и усилителем звуковых частот. Приемник настраивают, изменяя частоту ЛГ, так как любая входная частота смешивается с ней и преобразуется в промежуточную частоту (с точностью до полосы пропускания ПЧ). Вход ВЧ-усилителя должен настраиваться в соответствии и одновременно с ЛГ, но точность настройки не очень существенна.
Это делается с целью:
а) улучшить чувствительность путем усиления на ВЧ с малыми шумами перед смешением;
б) отсечь сигналы «зеркальной» частоты. В данном случае зеркальный — это входной сигнал с частотой на 455 кГц выше частоты ЛГ (смеситель вырабатывает сумму и разность частот). Другими словами, в супергетеродинном приемнике смеситель и локальный генератор (гетеродин) используются для сдвига входной (перестраиваемой) частоты сигнала в область фиксированной промежуточной частоты, где усиление и чувствительность максимальны.
Замечания о супергетеродинах
Супергетеродинные приемники имеют еще некоторые особенности. В приведенной схеме показан еще один генератор-гетеродин. Его используют при детектировании некоторых неамплитудно-модулированных сигналов (телеграфных, подавление несущей частоты в телефонии, при частотной манипуляции и т. д.). Дополнительные гетеродины используются даже для AM-детектирования в «гомодинных», или «синхронных», детекторах. Часто приемники имеют не один смеситель (их называют приемниками с «множественным преобразованием»).
Использование первой высокой ПЧ улучшает подавление зеркального канала (он сдвинут относительно фактически принимаемого сигнала на удвоенную промежуточную частоту). Более низкая вторая ПЧ облегчает использование фильтров на кристаллических резонаторах с резким спадом характеристик вне полосы пропускания. Третья ПЧ позволяет применять заграждающие фильтры, подобные фильтрам звуковых частот, низкочастотные керамические или механические фильтры, а также «умножающий детектор».
В свое время стало популярным использовать непосредственно преобразование частоты вверх на включенных прямо на вход балансных смесителях (т. е. использовать ПЧ выше частоты входного сигнала), а также фильтры на пьезокристаллах на частоте ~ 40 МГц ПЧ с последующим детектированием уже без смещения. Такие схемы с однократным преобразованием обладают еще лучшими параметрами при наличии сильно интерферирующих сигналов. Они входят в употребление наряду с выпускаемыми промышленностью очень хорошими кристаллическими СВЧ-фильтрами и смесителями с малыми искажениями, сбалансированными в широкой области и имеющими хорошие шумовые характеристики.
Смесители с подавлением зеркальной частоты
В супергетеродинных приемниках резонансный ВЧ-усилитель служит для подавления сигналов «зеркальной» частоты, которые отделены от нужных сигналов входной ВЧ-полосы удвоением промежуточной частоты (ПЧ). ВЧ-усилитель должен достаточно селективно подавлять зеркальную полосу (т. е. чувствительность его к сигналам этой полосы должна быть много меньше, чем к сигналам входной полосы). Он должен быть настроен, чтобы его полоса пропускания постоянной ПЧ поддерживалась на удалении от полосы ЛГ, поскольку последний служит для настройки приемника.
Есть и другие способы подавления чувствительности к зеркальным частотам, без использования резонансных ВЧ-усилителей. На рисунке показан смеситель с подавлением зеркальной частоты.
