Радио — модуляция

Я не знаю, правильно ли я делаю, написав статью по такому общеизвестному вопросу.

Но некоторые моменты мне показывают, что далеко не все представляют «как голос попадает в ящик».

Поэтому тема будет — модуляция, то есть как передать голос по радио…

Вообще-то модуляций есть великое множество и встречаются очень замысловатые. Но мы рассмотрим только самые простые, которые применяются в радиовещании.

Итак, мы имеем высокочастотные незатухающие колебания, годные для отправления на антенну (называются «несущая частота»), на которые мы должны «посадить» низкочастотные звуковые колебания, то есть голос.

Для начала — какие должны быть колебания.

По теореме Котельникова — высокочастотные колебания должны быть хотя бы в два раза чаще, чем низкочастотные колебания, которые они переносят. То есть если вы хотите передать хорошего качества звук голоса с частотой 20 кГц, а можете передавать только в нижнем краю длинных волн с частотой 30 кГц, то у вас ничего не получится. Хотя не совсем ничего — частоты в звуке голоса, которые ниже 15 кГц будут слышны, а более высокие частоты — нет.

Кстати, поэтому связь с подводными лодками (которая производится на сверхдлинных волнах), невозможна голосом, только морзянкой, да и то медленной.

Итак, сначала рассмотрим амплитудную модуляцию, которая возникла первой и много лет была единственной.

На картинке — сверху низкая звуковая частота, потом высокочастотная волна — несущая волна и в самом низу то, что должно быть получено в результате модуляции. После приема из этой модулированной волны получают исходные звуковые колебания.

Сложного ничего, хотя сейчас даже над этой простой модуляцией изгаляются — модулируют не целиком волну, а только верхнюю половину, нижняя (отрицательная) часть остается ровной. Это происходит потому, что вообще-то амплитудная модуляция ужасно неэффективна и такое «отрезание» позволяет уменьшать мощность передатчика. Такой метод называется подавлением боковой полосы. Однако, такие волны могут создать проблемы для детекторного приемника, если диод установлен неправильно.

Главный параметр этой модуляции называется коэффициентом модуляции. Он показывает, насколько «глубоко» изменяется волна. То есть насколько глубоки «провалы» и «выступы» в модулированной волне. Если переборщить — будут слышны хрипы и прочие искажения голоса.

Амплитудная модуляция плоха еще тем, что она не есть помехозащищенной. То есть при передаче сила сигнала будет меняться, где-то затухать, где-то переотражаться, да и просто складываться с разрядами атмосферного электричества, что проскакивают на ее частоте. Это помехи мы и слышим, включив длинные или средние волны. Собственно, если вы слушаете радио (или пользуетесь рацией) и в наушнике присутствуют эти характерные шумы — будьте уверены, вы используете амплитудную модуляцию.

Недостатков у этой модуляции море, и всего один плюс — очень простая реализация как в передатчике, так и в приемнике, поэтому, как ни странно, от нее до сих пор не отказались.

Второй тип модуляции — это частотная модуляция. Сейчас она применяется для УКВ диапазона. Более того, если в радиоприемниках на английском «длинные волны» обозначаются LF (Low Frequency), то есть низкой частоты, средние волны — MF (Medium frequency), то вместо «коротких волн» обычно пишут FM (Frequency Modulation), что означает «частотная модуляция».

Частотная модуляция немного похитрее — в соответствии с силой звука меняется не амплитуда, а частота электромагнитной волны. Как результат — очень сильно повышается помехоустойчивость, потому что если амплитуда в процессе прохождения через атмосферу может «побиться», то уж частота останется прежней.

Это подтверждается при прослушивании FM-станций. Звук идет очень чистый, без шипения и качество его держится до последнего, шипеть начинает только при почти пропадающем сигнале.

Также эта модуляция очень энергоэффективна.




Чтобы понять, как работает и чем отличаются эти две модуляции, можно посмотреть на такие анимашки:

Если вы включаете радиоприемник, чтобы послушать музычку — будьте уверены, этими двумя модуляциями все и закончится.

Но в радиосвязи еще применяют фазовую модуляцию.

Фазовая модуляция не применяется для кодирования голоса, а только бинарного кода, такой модуляцией передают цифровую информацию.

Конечно, в эфире бегает очень забавные гибриды этих все (и еще других) модуляций. Особенно это любит делать телевидение, там настолько зубодробительные миксы фазовых и частотных модуляций, что помогает только хардкорная математика.

Сейчас изобретения модуляций не остановилось. Проводятся опыты с поляризацией электромагнитной волны, так что, возможно, скоро возникнет еще более сложные методы передачи информации…