6-21. Подробнее о модуляции, фильтрации и демодуляции
Если просто сложить два тока — один высокочастотный, а другой низкочастотный, то это еще не будет модуляция. Если бросить мешок среди кучи зерна, это не будет упаковка.
Рис. 6-14. Модуляция при помощи одного нелинейного сопротивления (вентиля).
Два генератора: один высокой (модулируемой) частоты, другой низкой (модулирующей) включены последовательно с вентилем. Прошедший через вентиль ток содержит в себе постоянную составляющую и целый ряд комбинационных частот. Их спектр представлен внизу. При помощи фильтров можно отделить требуемые составляющие. Подобная простая схема модуляции применяется иногда для радиосвязи. Для дальней многократной телефонной связи применяются более сложные схемы преобразования частот (см. рис. 6-16).
Если смесь токов высокой и низкой частоты пропустить через нелинейное сопротивление — через выпрямитель, например, то на выходе уже получится модулированное напряжение.
Модулятор — это своеобразная «упаковочная машина» для токов низких частот, она заключает их в высокочастотную оболочку. После модулятора получается смесь токов, которая состоит: из самой несущей частоты — скажем, те 100 000 Гц, о которых упоминалось выше. Затем имеется еще и модулирующая частота, в нашем примере возьмем ее 3 000 Гц.
Рис. 6-15. Демодуляция при помощи вентиля.
Ток, прошедший через вентиль, содержит в себе ряд составляющих. Высокочастотные составляющие замыкаются через конденсатор, постоянный ток циркулирует только в первичной обмотке переходного низкочастотного трансформатора, в нагрузку (телефон) проходят только низкочастотные составляющие. Подобное преобразование частоты применяется в радиоприемниках. Радисты называют этот процесс детектированием.
От воздействия несущей на модулирующую получаются боковые полосы или ’боковые частоты. Одна из них равна сумме несущей и модулирующей — это будет верхняя боковая, другая равна разности несущей и модулирующей — это нижняя боковая частота. В нашем примере эти боковые частоты будут равны соответственно 103 000 и 97 000 Гц. Верхняя и нижняя боковые частоты — как бы зеркальное отражение одна другой.
Потом еще будут частоты, равные удвоенной частоте несущей, комбинационные частоты, равные несущей плюс или минус удвоенные и утроенные модулирующие, удвоенной несущей плюс и минус взятые п раз модулирующие. Чем сложнее комбинация, тем меньший процент мощности начальных колебаний в ней содержится.
Фильтрами можно отсеять ненужные комбинации колебаний.
На приемном пункте стоит демодулятор, который из смеси токов высоких частот вновь добывает низкую частоту. Назвав модулятор «упаковочной машиной», надо демодулятор называть «распаковочной».
Рис. 6-16. Схемы преобразователей частоты, применяемых в многократной дальней связи.
Подобные устройства — модемы применяются и для приема, и для передачи. Вверху представлена схема, называемая кольцевой. Под ней двухтактная схема. Особенность подобных преобразователей та, что спектр частот на их выходе беден паразитными продуктами. Практически можно считать, что на выходе имеется только сумма и разность частот, как это представлено на рисунке.
Демодулятор извлекает содержимое из волны. Одно и то же устройство может работать и как модулятор, и как демодулятор. Связисты часто называют такие устройства модем.
Высокочастотный модулированный ток не может непосредственно привести в действие обычный электромагнитный телефон. Поэтому и нужна демодуляция.
Рис. 6-16а. Преобразование частот при дальней многократной телефонии.
Вверху показана полоса тональных частот на входе преобразователя передачи. Посередине — боковые полосы (два различных разговора, идущие в линии связи). Все разговоры занимают совершенно одинаковые полосы частот. Но при помощи преобразователей полосы, соответствующие разным разговорам, перенесены в разные части спектра. Поэтому они идут в линии, не мешая друг другу.
Над спектрами токов в линии показаны кривые пропускания (прозрачности) фильтров на приемном конце линии. Каждый фильтр пропускает только свою полосу. Из фильтра токи поступают на вход приемного преобразователя, который переносит полосу частот обратно в тональную часть спектра.
Внизу показана полоса тональных (звуковых) частот на выходе фильтра приемного преобразователя. Эта полоса в точности подобна верхней.
Пропустив модулированную волну через вентиль, выпрямитель, точно такой же, какой был применен для модуляции, можно на выходе получить смесь токов различных частот, из которой можно отфильтровать и требуемую низкую частоту.
Радиовещательные передатчики излучают со своих антенн и несущую частоту, и обе боковые полосы: и верхнюю и нижнюю. Выше был приведен пример передатчика, который излучает спектр частот от 97 до 103 тыс. Гц. При такой системе передачи получается наиболее простая конструкция демодулятора. Такую передачу можно принять на наиболее простой и дешевый радиоприемник.
Рис. 6-17. Принцип разделения каналов по частоте.
Μ1, М2, М3 — микрофоны отдельных абонентов. Они модулируют передатчики, работающие на разных частотах: f1, f2, f3. Передатчики всех каналов непрерывно и одновременно работают на общую линию. На приемном конце частотные фильтры разделяют отдельные каналы. Фильтр Φ1 пропускает только спектр частот первого канала f. Фильтр Ф2 — частоты второго канала f2. После фильтров включены демодуляторы D1, D2, D3, которые выделяют звуковые частоты из принятого спектра и направляют их в соответствующие телефоны.
Но можно построить такой приемник, который довольствуется и одной только боковой частотой. Такой приемник получается дороже и сложнее, нежели простой радиовещательный, требующий и несущей частоты, и обеих боковых. В этом приемнике имеется маленький генератор, который на месте вырабатывает несущую частоту. Для многоканальной связи по проводам выгоднее применять более сложный приемник, но зато занимать на каждую передачу более узкую полосу в спектре частот.
При многократной связи после модулятора ставят фильтр, и он пускает в линию только одну боковую полосу. В нашем примере, скажет, верхнюю от 100 до 103 тыс. Гц.
Другой разговор насаживают на другую несущую, скажем, 150 тыс. Гц. Этот разговор занимает полосу от 150 до 153 тыс. Гц.
На месте приема ставится ряд полосовых фильтров. Один из них прозрачен только для частот от 100 до 103 кГц. Он пропустит только первый разговор. Все остальные телефонные разговоры через него не пройдут.
Второй фильтр прозрачен для полосы от 150 до 153 кГц. Он пропустит только второй телефонный разговор.
По кабелю хорошего качества можно передать одновременно очень много телефонных разговоров. Существует аппаратура, которая позволяет по одной двухпроводной линии осуществить 480 телефонных каналов.
Рис. 6-18. Радиолиния с частотным разделением каналов. Частоты f1, f2, f3 промодулированы звуковыми частотами от микрофонов Μ1, М2, М3. Но эти частоты f1, f2, f3 не поступают прямо в линию, как это было при проводной многократной связи, показанной на предыдущем рисунке.
При многоканальной радиосвязи частоты f1, f2, f3 только "поднесущие". Их спектрами модулируется радиопередатчик, работающий на сверхвысокой частоте f0. Приемное устройство должно равномерно усиливать весь спектр частот.
Здесь применяется многократная модуляция, которую можно сравнить с многократной упаковкой. Разные сорта зерен пакуются в маленькие кулечки. Затем кулечки собираются по нескольку штук в один пакет, а несколько пакетов объединяются в ящик.
При многократной модуляции 12 телефонных разговоров образуют группу. Пять таких групп объединяется в супергруппу. А затем восемь таких супергрупп посылаются в одну линию. На месте приема обратная «распаковка» — демодуляция также идет в несколько ступеней. Вначале восемь полосовых фильтров делят всю смесь на супергруппы. Каждая идет в свой супергрупповой демодулятор и затем новым комплектом полосных фильтров делится на 5 групп. А на последней ступени группу разделяют на 12 каналов.
6-22. Еще о модуляции в технике и природе
Не только для связи применяется наложение низкочастотных колебаний на более высокочастотные. Модуляция различных видов колебаний широко применяется в технике.
В звуковом кино для записи звука на светочувствительную пленку модулируют световые колебания. Тонкий луч света пропускают через отверстия в полюсах электромагнита. Между этими полюсами, как раз поперек пути светового луча, натянута тонкая бронзовая ленточка. По ней проходит усиленный ток от микрофона. Ленточка колеблется между полюсами электромагнита. Чем сильнее ток через нее, тем больше она отклоняется от своего начального положения и тем шире открывает путь лучу света. Сила светового луча меняется в такт звуковым колебаниям. На световые колебания — электромагнитные колебания высокой частоты — накладываются колебания звуковой частоты. Ленточка, натянутая между полюсами магнита, модулирует световой луч механическим способом. Есть и другие способы.
Маленький конденсатор помещают в банку с нитробензолом. Между обкладками этого конденсатора пропускают световой луч. Плоскость колебаний электрических и магнитных сил в луче света меняется в зависимости от величины напряжения на обкладках конденсатора. Слой нитробензола поворачивает плоскость поляризации светового луча. Поставив на пути светового луча еще два поляризатора — один до, а другой после нитробензола, можно модулировать силу проходящего через нитробензол луча.
Иногда модулируют свет при помощи специальных лампочек накаливания. Если нить такой лампы имеет малую световую инерцию, то сила испускаемого лампой света будет точно следовать за изменениями тока, накаливающего нить.
А вот примеры естественной, природной модуляции. Молекулы всех тел находятся в непрестанном тепловом движении. В сложных химических соединениях молекулы колеблются с частотами, зависящими от массы атомов, составляющих молекулу, и от сил связи между отдельными атомами. И эти колебания можно сравнить, как это мы много раз делали, с колебаниями гирь, подвешенных на пружинах. Период колебаний зависит от массы гирь и от упругости пружин. Молекулярные маятники колеблются с большой быстротой. Частота этих колебаний выше самых высоких радиочастот, получаемых в обычных электронных лампах. Но эта частота все же значительно ниже частоты световых колебаний.
Если пропустить сквозь прозрачное вещество луч света с одной определенной частотой колебаний — луч одного цвета, монохроматический луч, как говорят, — то колебания молекул, более медленные, нежели световые колебания луча, промодулируют этот световой луч, и в нем, помимо основного цвета (несущей частоты), появятся еще боковые полосы: колебания с частотами, равными сумме и разности световых и тепловых колебаний. Это явление называется комбинационным рассеянием света. Его впервые открыли в СССР академик Мандельштам и профессор Ландсберг. Они не торопились опубликовать свое открытие. Этот же эффект обнаружил впоследствии индусский ученый Раман, который немедля, тут же телеграфировал об этом в важнейшие научные журналы. Поэтому комбинационное рассеяние называют иногда еще эффектом Рамана.
Комбинационное рассеяние — модуляция световых колебаний молекулярными — имеет важное значение для познания строения вещества. Когда известна масса маятника, то можно, не видя его, по одному звуку его тикания, т. е. по периоду его колебаний, сказать, какая в нем стоит пружина (волосок). Так, по частоте молекулярных колебаний, которую мы узнаем из ширины боковых полос рассеянного спектра, можно судить о силах связи в сложных молекулах.
Множество есть еще случаев модуляции одних колебаний другими.
Вой ветра у-у, у-у — это модулированные звуковые колебания. Такая модуляция звука, наложение на звук еще более низкой частоты называется иногда биениями.
Такие биения бывают слышны в гуле двухмоторных самолетов, когда частоты вращения моторов чуть отличаются одна от другой. Иногда применяется синхронизация моторов самолетов. При этом биения отсутствуют. У немецких бомбардировщиков во время второй мировой войны моторы не были синхронизированы. Эти бомбардировщики можно было сразу отличить по их воющему гулу.
Периодическое изменение точки нажима на струну («вибрато»), применяемое при игре на смычковых инструментах, модулирует издаваемый струной тон. Это искусство скрипача — дать такую модуляцию, чтобы в ответ попали в. резонанс и затрепетали сердца его слушателей.
