Частота переменна. Амплитуда постоянна

Л. – Однако в ряде случаев это соответствует действительности, так как при этом имеют в виду частотную модуляцию, не ограниченную по динамическому диапазону.

Н. – Я был уверен, что по традиции ты тщательно воздвигнешь препятствие и потом сам же сметешь его одним щелчком. Я тебя хорошо изучил, Любознайкин. Но что это такое, частотная модуляция?

Л. – До сих пор мы рассматривали лишь один из способов передвижения низкочастотного пассажира в высокочастотном поезде, т.е. один из способов модуляции несущей частоты звуковыми частотами. Это амплитудная модуляция, в процессе которой амплитуда несущей частоты изменяется в соответствии с изменением напряжения низкой частоты.

Н. – Не станешь же ты утверждать, что в процессе частотной модуляции изменяется частота несущей в зависимости от значений низкой частоты?

Л. – Однако это действительно так. Вместо воздействия на амплитуду несущей модулирующее напряжение изменяет ее частоту (рис. 121). Чем больше мгновенное значение модулирующего напряжения, тем выше мгновенное значение несущей частоты.

 

 

Рис. 121. При частотной модуляции амплитуда несущей остается неизменной, но ее частота изменяется вокруг некоторого среднего значения в такт со звуковой модуляцией.

 

Н. – И можно отметить, что амплитуда несущей частоты при этом не меняется.

Л. – Да. В этом заключается одно из главных достоинств частотной модуляции, или, как сокращенно говорят, ЧМ. Постоянство амплитуды обеспечивает более высокую энергетическую отдачу передатчика, работающего всегда в режиме максимальной мощности. При приеме уровень сигнала всегда значительно выше уровня шумов. По сравнению с амплитудной модуляцией (сокращенно AM) увеличивается реальная дальность действия, так как передача идет на неизменном наивысшем уровне излучаемых колебаний.

Н. – Таким образом, в этой системе модуляции несущая частота меняется в такт с низкой частотой. Но как передаются относительные изменения интенсивности модулирующего напряжения?

Л. – Степенью отклонения частоты от того значения несущей, которое она имеет в отсутствие модуляции. При слабом звучании отклонение (или девиация) частоты также невелико. Мощные же аккорды вызывают значительную девиацию частоты.

Н. – Следовательно, ритм девиации несущей частоты будет определяться частотой модулирующего напряжения, а величина девиации – амплитудой модулирующего напряжения.

Л. – Ты хорошо понял, Незнайкин, принцип ЧМ.

Н. – И так как нет причин, ограничивающих величину девиации частоты, можно, мне кажется, сохранить истинное соотношение интенсивностей или, иными словами, правильно воспроизвести динамический диапазон звучания.

Л. – Безусловно. Именно поэтому для частотной модуляции используется метровый диапазон волн, так как здесь полоса частот не ограничена.

 

 

 

ПРОСТЕЙШИЙ ЧМ ПЕРЕДАТЧИК

Н. – Частотная модуляция необыкновенно привлекательна. Я хочу изучить ее возможно глубже. И для начала я хотел бы знать, как устроен ЧМ передатчик.

Л. – Твоя любознательность не имеет границ, дружище. Однако я постараюсь ее удовлетворить и покажу, как можно соорудить опытный маломощный передатчик с помощью электростатического микрофона.

Н. – А что это еще за устройство?

Л. – Просто‑напросто конденсатор из двух обкладок, одна из которых неподвижна и состоит из массивной металлической пластины, в то время как другая очень эластична и является тонкой металлической мембраной, натянутой параллельно первой обкладке.

 

 

Н. – Я догадываюсь, что это устройство является конденсатором, емкость которого изменяется под воздействием звуковых колебаний, заставляющих вибрировать эластичную мембрану.

Л. – От тебя ничего не скроешь, дружище. Ты это так хорошо понял, что тебя не удивит включение такого микрофона параллельно колебательному контуру лампового генератора (рис. 122). Изменение емкости микрофона вызовет соответствующее изменение частоты лампового генератора.

Н. – И мы получим частотно‑модулированные колебания. Вот не ожидал, что это так просто!

 

 

Рис. 122. Схема простейшего частотно‑модулированного передатчика. Частота генерируемых колебаний изменяется с помощью электростатического (конденсаторного) микрофона, включенного параллельно емкости контура.

_{1 – звуковые колебания; 2 – микрофон.}

 

Л. – Схемы настоящих ЧМ передатчиков значительно сложнее. Но это не имеет для тебя особого значения.

Н. – Конечно. Но меня очень интересует способ приема этих необычных колебаний.

Л. – Потерпи до следующей беседы, и мы рассмотрим этот вопрос.

 

 

 

Беседа двадцать первая

 

 

После изучения принципов передачи с частотной модуляцией наши юные друзья рассмотрят различные особенности ЧМ приемников, в частности каскадную схему, дискриминатор, детектор отношений, ограничитель и пр…

 

ВСЕ ОТНОСИТЕЛЬНО

Незнайкин. – Все, что ты объяснил в последний раз о частотной модуляции, не давало мне покоя. Все эти понятия довольно неопределенны. Различным интенсивностям низкой частоты соответствует более или менее значительная девиация несущей частоты. А частоте модулирующего напряжения соответствует… Как это сказать?., частота изменения частоты несущей?

Любознайкин. – Хотя ты и не очень изящно излагаешь свои мысли, но говоришь вполне здраво.

Н. – Я думал также о способах приема ЧМ колебаний. Полагаю, что обычные радиоприемники, предназначенные для амплитудной модуляции, не годятся для этой цели. Ведь если продетектировать такую модулированную высокую частоту, у которой все амплитуды одинаковы, получится постоянное напряжение, а не низкочастотное модулирующее. Прав я или нет?

Л. – Безусловно прав. Обычные схемы детектирования при ЧМ модуляции не применяются. Но это не единственная особенность ЧМ приемников.

Н. – Я не вижу причин отказа от классической схемы супергетеродина, если не считать детекторного каскада.

Л. – Супергетеродин является схемой, повсеместно принятой для частотной модуляции. Но и сама схема и ее элементы существенно отличаются от классических. Ты, кажется, забыл, что передача осуществляется в метровом диапазоне волн, т. е. на частотах порядка сотен миллионов герц, и что, кроме того, боковые полосы простираются в стороны от несущей на сотню тысяч герц вместо тощих 4 500 гц при AM модуляции.

Н. – Правильно, об этом я не подумал. Следовательно, нужно предусмотреть как в высокой, так и в промежуточной частоте колебательные контуры с полосой пропускания порядка 200 кгц.

Л. – Это так. Даже до 300 кгц. И так как это было бы крайне трудно осуществить на промежуточной частоте 465 кгц, для усилителя промежуточной частоты выбрана частота 8,4 Мгц (в телевидении иногда 6,5 Мгц).

Н. – Мне это ясно. Для трансформатора промежуточной частоты, настроенного на 465 кгц, полоса пропускания 300 кгц составляет больше половины резонансной частоты, в то время как для 8,4 Мгц та же полоса пропускания не превышает 4 %.

Л. – Все относительно… Но каждая медаль имеет обратную сторону. При усилении широкой полосы частот нельзя получить большой коэффициент усиления. Поэтому приходится применять два и даже три каскада промежуточной частоты.

Н. – А это не освобождает от необходимости применения предварительного усиления по высокой частоте?

Л. – Ни в какой степени. Следует рекомендовать применение одного каскада усиления высокой частоты перед смесителем. Но обычные схемы усиления для столь высоких частот недостаточно удовлетворительны. Не очень пригодны для этого и пентоды вследствие повышенного уровня их шумов. Несмотря на более низкий коэффициент усиления, лучше применять триоды.

Н. – Все качества несовместимы!

Л. – Не изрекай, Незнайкин. И не забывай, что триод обладает очень серьезным недостатком, о котором мы много говорили.

 

 

 

НЕ ГЛУПОСТЬ ЛИ ЭТО?

Н. – Ты говоришь о пресловутой емкости катода или сетки относительно анода, которую уменьшают с помощью экранирующей сетки.

Л. – Вот именно. Поскольку мы не хотим прибегать ни к тетродам, ни к пентодам, необходимо известное ухищрение для компенсации действия этой емкости. Оно заключается в том, что управляющей сетке поручается роль экранирующей. Для этого на сетке поддерживается постоянный потенциал, равный потенциалу отрицательного вывода источника питания (заземления). Такая схема называется схемой с заземленной сеткой (рис. 123).

 

 

 

Рис. 123. Схема усилителя с заземленной сеткой.

 

Н. – Но это чистейшая глупость! При заземлении сетки ты уже не можешь подать на нее напряжение, подлежащее усилению.

Л. – Совершенно очевидно. Поэтому напряжение подают на катод, как это отчетливо видно на схеме.

Н. – Час от часу не легче! Значит, катод, если я понял, становится управляющим электродом?..

Л. – Не все ли равно? Для управления анодным током важно ведь только, чтобы изменялась разность потенциалов между сеткой и катодом. Совершенно безразлично, меняется ли напряжение на сетке относительно катода или напряжение на катоде относительно сетки.

Н. – Действительно, ты прав. Схема с заземленной сеткой не так уж отличается от обычных схем. Совсем как в семействе моих соседей…

Л. – Какую еще глупость ты собираешься изречь?

Н. – Это не глупость. У моих соседей мать не ладит с дочерью. То одна из них нападает на другую, хотя бы та и была мирно настроена, то наоборот. Но независимо от инициатора очередной ссоры отец семейства каждый раз обрушивается на обеих, так как он играет роль усиленного анодного тока.

 

 

Л. – Ты это придумал специально для данного случая…

Н. – Меня интересует одно обстоятельство в схеме. Почему на катод подается часть напряжения от вывода на катушке контура, а не все напряжение колебательного контура?

Л. – Потому что в схеме с заземленной сеткой входное сопротивление лампы весьма незначительно. В случае включения всего колебательного контура в цепь катода его затухание значительно увеличилось бы и коэффициент усиления упал бы. Поэтому напряжение на катод снимают с части контура. Существует, однако, другой способ, позволяющий избежать увеличения затухания входного контура. Ты не догадываешься?

Н. – Нет, я пасую.

Л. – Достаточно включить перед триодом с заземленной сеткой другой усилительный триод с обычной схемой включения (рис. 124).

 

 

Рис. 124. Схема каскодного усилителя. Включение резистора R₁ необязательно.