§ 93. Модуляция электрических колебаний

Рассмотрим, как происходит формирование радиосигналов. На передающей радиостанции мощный генератор колебаний возбуждает и поддерживает электрические колебания

высокой частоты в проводах антенны. При этом антенна излучает электромагнитные волны. Если на мгновение прервать работу генератора или отключить от него антенну, излучение волн прекращается. Продолжительность таких перерывов — в нашей воле. Этим и пользуются для формирования радиотелеграфных сигналов, причем устанавливают условную систему сигналов, состоящую, например, из комбинации коротких и продолжительных посылок электромагнитных волн (так, в частности, воспроизводятся точки и тире общеизвестной азбуки Морзе). В мощных радиотелеграфных передатчиках, работающих автоматически со скоростью до 300 слов в минуту, перерывы излучения высокочастотных колебаний производятся особыми электронными приборами («электронными мультипликаторами»).

Рис. 409. Модуляция колебаний.

Процесс формирования радиотелефонных сигналов более сложен. В этом случае на непрерывные колебания высокой частоты (ее называют несущей частотой) «накладываются» относительно медленные колебания звуковой частоты. Но пригодны только определенные способы сочетания колебаний, а именно такие, при которых колебания не просто суммируются как независимые, но при которых образуются сложные так называемые модулированные колебания. Модулированные колебания представляют собой высокочастотные колебания, амплитуда которых периодически изменяется с меньшей (в радиовещании со звуковой) частотой.

Пусть величина тока колеблется с высокой (круговой) частотой :

Для формирования радиотелефонных сигналов звуковые колебания созв «накладываются» на высокочастотные так, что амплитуда высокочастотных колебаний уже не будет оставаться постоянной, а будет изменяться синхронно с «наложенными» звуковыми колебаниями:

Рис. 410. Зависимость формы модулированных колебаний от глубины модуляции.

График таких колебаний показан на рис. 409. Коэффициент называют коэффициентом модуляции, или глубиной модуляции. Амплитуда модулированного тока изменяется

в пределах от до Следовательно,

В высококачественном радиовещании глубина модуляции не превышает Рис. 410 показывает зависимость формы модулированных колебаний от глубины модуляции.

Переписав уравнение модулированных колебаний (14) в виде

и применив формулы простых тригонометрических преобразований, получим:

Стало быть, модулированное колебание, если его разложить на гармонические колебания (т. е. выявить его «спектральный состав»), оказывается состоящим не из двух колебаний с частотами со и созв, а из трех колебаний с частотами

(об аналогичном возникновении комбинационных частот было рассказано в акустике, т. I, §§ 62 и 71).

Рис. 411 Модулированное колебание состоит из трех гармонических колебаний.

На рис. 411 показан спектральный состав модулированного колебания. В соответствии с такой интерпретацией уравнения (14) частоты созв и со — созв называют боковыми частотами.

Электромагнитные волны радиовещательной станции модулируются совокупностью многих гармонических колебаний звуковой частоты примерно от 50 до 10 000 гц. Боковые частоты образуют в этом случае боковые полосы шириной по 10 000 гц в обе стороны от несущей частоты.

Для модуляции колебаний в одной из применяемых схем («сеточной модуляции») к сетке генераторной лампы одновременно подводят: через индуктивную связь с анодной цепью колебания несущей частоты и через трансформатор (рис. -электрические колебания звуковой частоты, созданные микрофоном и, если нужно, предварительно усиленные. Поскольку обмотка трансформатора оказывает току высокой (несущей) частоты большое сопротивление, то в цепи обратной связи трансформатор шунтируют конденсатором С, имеющим не

слишком большую емкость, чтобы для токов звуковой частоты его сопротивление оставалось значительным.

Для осуществления процесса модуляции колебаний является весьма важным, чтобы лампы, генерирующие модулированные колебания, работали на криволинейных участках сеточных характеристик (стр. 261). Для этого сеткам ламп сообщается более или менее значительный отрицательный потенциал, смещающий рабочую точку на характеристике влево к нижнему криволинейному участку. Если бы зависимость между подводимым к сетке напряжением звуковой частоты и током в лампе была линейной, то вместо модулирования высокочастотных колебаний мы получили бы простое сложение (суперпозицию) колебаний высокой и звуковой частоты по закону

Математический анализ вопроса показывает, что модуляция колебаний по, закону (14) вызывается только нарушением линейной зависимости между напряжением и током.

Рис. 412. Генератор амплитудно-модулированных колебаний (сеточная модуляция).

Когда прирост анодного тока в лампе зависит от потенциала сетки не линейно, а по закону параболы

и при этом колебания звуковой частоты, подводимые к сетке, гармоничны:

то коэффициент модуляции равен

т. е. глубина модуляции тем более велика, чем больше амплитуда напряжения звуковой частоты и чем больше кривизна параболической зависимости тока в лампе от сеточного напряжения (при

Поскольку лампа, генерирующая модулированные колебания, вследствие постоянного отрицательного потенциала на сетке («отрицательного смещения сетки») работает на изгибе сеточной характеристики, то очевидно, что в «нижние» полу периоды звуковых колебаний, когда потенциал сетки становится еще более отрицательным, лампа будет почти заперта—ток в ней будет близок к нулю Поэтому казалось бы, что модулированные колебания должны оказаться несимметричными, со срезанными «нижними» полупериодами и иметь вид, показанный на верхнем графике рис. 413. Так это и было бы, если бы раскачивание колебаний в резонансном контуре не дополняло срезанных полупериодов аналогично тому, как это происходит при раскачивании толчками качелей. В итоге излучаемые модулированные колебания имеют симметричную форму (нижний график на рис. 413).

Рис. 413. Раскачка колебаний в резонансном контуре дополняет отрицательные полупериоды модулированных колебаний.

Наряду с описанной так называемой амплитудной модуляцией применяют (в телевидении и радиовещании на ультракоротких волнах) другой вид модуляции — частотную модуляцию. При частотной модуляции изменяется не амплитуда несущей частоты, а в небольших пределах изменяется сама несущая частота; эти изменения несущей частоты происходят с периодом звуковых колебаний. Для осуществления частотной модуляции параллельно с резонансным контуром генераторной лампы включают сетку модуляторной лампы (рис. 414), для которой создают такой режим работы, что подводимые к сетке низкочастотные колебания существенно и ритмично изменяют емкость (сетка—катод).

Рис. 414. Генератор частотно-модулированных колебаний.

Так как эта емкость включена параллельно емкости С резонансного контура, то в такт звуковым колебаниям изменяется собственная частота резонансного контура генераторной лампы, а стало быть, и частота генерируемых несущих

колебаний. Возникающие амплитудные изменения снимаются особыми «ограничителями», дополняющими схему рис. 414.

Рис. 415. Сопоставление амплитудной и частотной модуляций.

При частотной модуляции изменение несущей частоты происходит по закону

На рис. 415 сопоставлены амплитудно-модулированный сигнал (верхний график) и тот же сигнал частотно-модулированный (нижний график; изменения частоты представлены на нем преувеличенно).