 |
|
...о модуляциях. Нет, не модемных, а таких, какие по радио бывают. Ну, в смысле,
я постараюсь не слишком часто скатываться на "...а вот в модеме..." :-)
Навеяло очередным ответом на очередной вопрос: "а как перестроить приемник с УКВ на ЧМ?" - "перестроить с
длины волны на модуляцию?!"
История радио - это интересно. Жаль, я её так плохо знаю. Впрочем, надеюсь это не сильно ухудшит :-)
Радио началось давно - когда догадались, что из уже изобретенного к тому моменту
электричества, кроме искр и "лампочки Ильича"
(впрочем, Ильич тогда лампочками еще не занимался) можно получить и другие физические эффекты.
Например, бабахнуть "лейденскую банку" в моток провода и поудивляться на тему,
какое интересное при этом магнитное поле образуется и как забавно дергаются железные гвозди вокруг.
Или, скажем, взять два длинных штыря с шариками, сделать искру между ними (шариками),
и начать изучать, что при этом будет происходить вокруг. Мужика,
который занимался штырями и шариками, если мой склероз мне ни с кем не изменяет, звали Герц,
а конструкцию эту звали "диполь Герца".
Сначала о модуляциях особо не задумывались - был уже упомянутый "диполь Герца" (два штыря с шариками),
импульсно возбуждаемый от "электрофорной машины" (220 вольт в розетках тогда еще не было),
и излучавший довольно "грязный" в спектральном плане быстроспадающий импульс излучения.
С детекторами было еще хуже - тот же самый диполь с близко сведенными шариками,
и попытка разглядеть в темноте и через лупу искру между ними - о чувствительности тут речь не идет,
или "когерер" ("грозоотметчик") - трубка с опилками, широкополосная до жути, и до жути же
нечувствительная. Но - прогресс не стоит на месте,
и, по мере изобретения разнообразных диодов, триодов, и прочих транзисторов,
мировое сообщество довольно быстро научились
генерировать и излучать, а на приемном конце - выделять и детектировать "гармонические"
(синусоидальные) колебания. Почему синусоидальные? Да потому, что
в случае синуса нам очень помогает природа - ведь что колебательный контур, что
объемный резонатор, что какой-нибудь surface acoustic filter - все они удобны для получения именно синуса (ну, возможно не совсем чистого -
но это уже проблемы технологии а не природы), а не треугольника или ещё какой загогулины.
Так появилось разделение по частотам (у тебя синус с такой частотой, у меня - с другой,
и мы друг другу не мешаем), и - появилась модуляция, как попытки передать информацию, изменяя параметры
этого самого синуса.
Первой появилась телеграфная модуля... эээ... манипуляция. "Манипуляция" потому,
что у радистов почему-то принято определенные виды дискретной модуляции не считать
модуляцией, а называть "манипуляцией". Суть от этого не изменяется -
в телеграфной манипуляции (CW - от continuous wave - непрерывное излучение)
передатчик просто включается и выключается, излучая (непрерывно) когда включен, и не
излучая, когда выключен. Используется, как нетрудно догадаться, "азбука Морзе", придуманная в своё время
для проводного телеграфа. Плюс: предельно просто, минус: надо знать азбуку морзе. Менее очевидный плюс:
предельно низкая используемая полоса частот (для чистого CW - стремится к нулю:-), для "манипулированного" - в несколько раз шире "частоты точек-тире", то есть не больше десятков герц), как следствие - высокая помехозащищенность.
Неочевидный минус - при резких фронтах-срезах (когда сигнал действительно грубо манипулируется "кнопкой",
без мер по сглаживанию фронта-среза) "щелчки" могут "разлетаться" по спектру на десятки-сотни кГц.
Кстати, вызывная "пищалка" на детских (и не только детских) рациях к CW (телеграфной манипуляции) отношения не имеет -
обычная АМ "прямоугольником" от генератора.
Ладно. Телеграфная манипуляция, особенно правильно сделанная - это, конечно, рулез
по простоте и помехоустойчивости, но хочется все-таки не только "пиип-пиип", а и голосом побазарить.
Хочется - сделаем.
Изменяя амплитуду этого самого синуса не дискретно (есть-нет), а плавно,
в соответствии с звуковым сигналом. В результате мы имеем АМ - амплитудную модуляцию -
самую старую из "голосовых" модуляций, постепенно вытесняемую ЧМ, но еще вполне себе
живую.
Плюсы понятные: самая простая для понимания. Ну, еще поведение в сложных шумовых условиях... но об этом потом.
На этом достоинства, в общем то и заканчиваются. Передатчик сложен (нужно плавно изменять выходную мощность),
неэкономичен (точнее, чем проще передатчик - тем ниже КПД, но поскольку совсем уж усложнять передатчик нет смысла - неэкономичен по сравнению с, скажем, ЧМ).
Качество... в теории можно получить хорошее, на практике же - та же фигня: высокое качество на АМ
потребует непропорциональных затрат. Возможность "перемодуляции" (принципиальная несимметричность
модуляции - поднимать мощность относительно "средней" можно как угодно, а вот опускать - ниже нуля не получится),
как следствие - нулевая перегрузочная способность, и опять же невысокое качество.
Требование линейности усилителя мощности (жуть на самом деле - линейный УМ для радиочастот есть
конструкция патологически неправильная), требование линейности предусилителя в приемнике,
требование линейности всего-на-свете от антенны до детектора. Обязательная "мягкая"
(сохраняющая линейность) АРУ (автоматическая регулировка усиления) в приемнике...
В-общем, сейчас АМ используется редко. :-) Конечно, все далеко не так кошмарно, как я сейчас
рассказал, и плюсы у АМ тоже есть, но минусов больше.
Плюсы...
Если не заморачиваться высоким КПД и качеством - передатчик можно сделать вполне простым.
Если не заморачиваться хорошей избирательностью и качеством - приемник можно сделать
просто потрясающе простым. Собственно, именно так и делаются
те детские "шипелки", что можно купить в киосках за 100 рублей пара - упрощенный донельзя
передатчик с АМ, и сверхрегенеративный приемник.
Если же заморочиться (какое слово эргономичное попалось) на помехи, шумы,
и прочую реальность радиосвязи - то по мере ухудшения соотношения сигнал/шум "в эфире",
соотношение сигнал/шум после детектора ведет себя правильным образом. Плавно ухудшаясь
в соответствии с, и в конце концов "пропадая" в шумах. Что позволяет оперативно (ухом)
заметить ухудшение связи, и, покрутившись в пространстве или выдвинув антенну,
найти точку поудачней. У той же ЧМ с этим несколько похуже.
Используется АМ больше по традиции - на "средних волнах" для вещания,
там, где исторически сложилось использование АМ для связи,
ну, и реже в тех случаях, где АМ по каким-то причинам оказывается предпочтительней.
Я уже упоминал ЧМ, займемся теперь ей.
ЧМ (FM) stands for Частотная Модуляция (Frequency Modulation).
Принцип понятный - вместо амплитуды мы изменяем частоту
сигнала, дёргая чего-нибудь в задающем генераторе (теоретически - параллельно
емкости в контуре ставится варикап, практически - достаточно загнать модулирующий сигнал
хоть куда-нибудь внутрь генератора - и появится ЧМ).
Позже ЧМ появилась потому, что
было неочевидно - как же потом демодулировать этот сигнал -
с амплитудой-то проще :-) Потом придумали эффективные способы демодуляции (навскидку два - контур в резонансе, обеспечивающий
сдвиг фазы при изменении частоты с умножителем для обнаружения сдвига фазы, и второй -
"синхронный детектор" с фазовой автоподстройкой частоты, сигнал снимается непосредственно с VCO (voltage controlled oscillator)).
Схема с контуром - простая, "дубовая", и дающая хорошее качество, потому используется сплошь и рядом.
Схема с VCO+PLL - дает очень хорошее качество, но имеет ряд мелких особенностей и фич, потому применяется
в основном в вещательных приемниках.
Теперь - плюсы и минусы. Плюсы. Высокое качество. Если в АМ нужно бороться за высокое качество, в ЧМ
скорее уж нужно принимать специальные меры, чтобы получить плохое качество :-)
Поскольку вещание ведется на сотнях мегагерц, а девиация составляет максимум десятки килогерц -
нелинейность зависимости девиации частоты от модулирующего напряжения глубоко пофиг -
в таких пределах она линейна. (В скобках замечу - если генератор стабилизирован кварцем -
всё сильно по другому, но это уже другой вопрос). В приемнике -
в случае VCO+PLL всё то же самое (нелинейность пофиг, мы её просто не заметим), в случае контура
и сдвига фазы - достаточно "испортить" контуру добротность (ломать - не строить), и линейность
детектора пропорционально возрастет.
Выходной каскад передатчика (и усилителя) можно раскачивать с запасом, до высоких углов отсечки.
КПД при этом приближается к максимально возможному, а неизбежные гармоники - давятся
выходным/согласующим контуром. Линейность - не нужна, поскольку просто таки вредна (снижает КПД).
АРУ в приемнике - нужна постольку-поскольку: достаточно обычного усилителя-ограничителя.
Перегрузочная способность - отличная: перемодуляция в передатчике особо ни к чему не приводит,
сделать же запас по модуляции в приемнике - несложно.
Неочевидный плюс: в случае хорошей помеховой обстановки можно получить сильно более хорошее
качество, увеличив глубину модуляции. Поскольку при этом захватывается более широкая полоса
- качество объективно растет.
Минус, собственно, один. ЧМ довольно хорошо "держит" качество до какого-то уровня сигнал/шум,
после чего быстро "разваливается" - там, где на АМ еще можно попытаться что-то проорать
сквозь шум, на ЧМ этот самый шум идет громко и сильно.
Применяется ЧМ... да очень много где. Вещание - в УКВ диапазоне (кстати, "наш" УКВ и "их" FM отличаются только длинной волны, но не модуляцией). Связь: все известные мне
беспроводные телефоны, все известные мне аналоговые стандарты сотовой связи,
большинство современных "бытовых" радиостанций ("Си-Би радио" - радиостанции гражданского диапазона) оборудованы ЧМ, а
те, что работают на 433МГц - имеют только ЧМ. Любопытно, что АМ в гражданском радио вымирать не собирается
- то-ли традиция, то-ли лучше работает "в шумах"...
Кстати, ЧМ, довольно условно, делится на три группы. "Узкополосную ЧМ" (NFM, Narrowband FM, полоса порядка нескольких кГц - не шире полосы АМ при модуляции "телефонного качества" сигналом (до 3-4кГц)) -
для связи на относительно длинноволновых диапазонах либо при ограничениях на полосу (любительская связь, СиБи).
Просто ЧМ (не знаю, как точно называется) - полоса 10-20кГц, используется в разнообразных high-band дивайсах
вроде телефонов и раций. И "широкополосная ЧМ" (WFM, Wideband FM) - вещание в УКВ диапазоне. И, дабы не быть
обвиненным в неполноте - есть еще ФМ, то бишь "фазовая модуляция". Изменяется при этом, как несложно понять, фаза
сигнала, а не частота. Сделать фазовую модуляцию очень просто - надо
продифференцировать модулирующий сигнал, и загнать его на вход ЧМ-модулятора :-) В общем-то поэтому
я и не буду отделять ЧМ от ФМ, и скажу только, что ФМ часто применяется (по чисто техническим а не "политическим" причинам)
в аппаратах с синтезатором частоты в передатчике, и редко применяется где-нибудь еще.
Раз уж заговорили о связи - в радиолюбительской практике есть еще одна модуляция.
SSB называется. Устроена довольно хитро, попробую объяснить.
Амплитудная модуляция, с точки зрения математики, есть перемножение двух сигналов - модулируемого и модулирующего.
Модулирующий при этом не должен сталовиться меньше нуля (ибо корректно продетектировать такое потом будет проблемно),
потому в нем всегда есть некая постоянная составляющая. При перемножении двух гармонических сигналов
получается сумма двух других, на суммарной и разностной частотах. При перемножении несущей на модулирующий
сигнал ("звуковой" полосы частот, с постоянной составляющей) в спектре получаются:
- "палка" на месте несущей частоты (произведение несущей на постоянную составляющую),
- "холмик" справа от несущей (на суммарных частотах несущей и модулирующего сигнала - фактически, спектр модулирующего сигнала, перенесенный "вверх" по частоте, так называемый "USB" - Upper SideBand),
- "холмик" на разностной частоте - симметричен первому холмику относительно несущей. Называется LSB - Lower Sideband.
Не буду вдаваться в не очень понятные мне тонкости насчет того, какой именно холмик несет сколько информации,
замечу только, что в самой "палке" несущей сосредоточена заметная мощность сигнала, при этом информации
эта "палка", в общем-то, не несет - как бы мы не дергали модулирующий сигнал, величина несущей
в спектре меняется не сильно (теоретически - не меняется вообще, практически - зависит от того, что мы
договоримся считать "величиной несущей"). Поэтому несущую можно относительно безболезненно выкинуть
при передаче, и восстановить уже в приемнике - эффективность улучшится.
Честно говоря, не помню, почему выкидывают еще и один из sideband (по русски - "боковая полоса", кстати). По-моему, потому, что при малейшей
ошибке при восстановлении несущей и наличии обоих боковых полос, возникнет нехилая паразитная модуляция,
в результате чего от разборчивости не останется ничего, но я могу сильно гнать и ошибаться. Так или иначе,
в ssb "задавливается" несущая (есть даже специальные "балансные" модуляторы с подавлением несущей),
и дополнительно (узкополосным фильтром) давится одна из боковых полос.
Какая - пофиг, если задавить LSB (и оставить USB) - результатом будет простой "перенос" спектра сигнала
вверх по спектру, если оставить LSB - спектр будет еще и вверх ногами.
Детектировать, как ни странно, просто. В приемнике просто стоит генератор на частоте несущей, и смеситель.
После смешения (читай: перемножения) несущей и SSB, получается почти :-) исходный
сигнал, плюс куча высокочастотных компонентов. ВЧ отрезается обычной RC-цепочкой, сигнал усиливается
и подается в наушники несчастному радиолюбителю.
Результат своеобразен. Разборчивость "на пределе" дальности и собственно дальность связи при таком методе заметно лучше.
При этом о какой-либо "верности" передачи сигнала нет и речи: уровень толком отследить нельзя (он пропорционален
мгновенной мощности модулирующего сигнала, а АРУ в приемнике должно хоть как-то это выравнивать),
при "тишине в микрофоне" на передающем конце - в эфир не излучается ничего, со всеми вытекающими последствиями,
а главное - сдвиг частоты приемника относительно передатчика практически неизбежен, что
приводит к довольно специфическим искажениям. :-) То есть,
в сеансе ssb-связи нужно "подкручивать" ручку точной настройки, подстраиваясь под наилучшую разборчивость корреспондента...
...любители, что с них возмешь :-) Про применение SSB в профессиональных, я уж не говорю о бытовых,
системах связи, я не слышал ни разу. Впрочем, не исключаю, что в каких-нибудь военных рациях
SSB есть - работать на пределе дальности.
В общем, если ограничить себя только вопросом передачи голоса по радио, нарочно откинуть
цифровые стандарты (то, что по ним в результате все равно гоняется голос - есть второстепенная особенность),
и не обращать внимания на видео и прочее - то и останется АМ, ЧМ в разных ипостасях, и SSB.
А про tdma, cdma, подпороговую передачу данных :-) и прочие штучки я как-нибудь потом. Ладно?
| |
| |