Если мы подключим ВЧ-генератор к антенне, то антенна начнет излучать в пространство электромагнитные волны. Если мы при этом включим приемник, причем не имеет значение какой: АМ, CW или SSB, то мы можем обнаружить излучение нашего генератора. Обнаружили, и что? Это все, сигнал генератора несет информацию только о том, что он включен или выключен. Включив приемник в режиме CW или SSB и перестраиваясь по диапазону КВ вы обнаружите десятки таких сигналов. Что это за радиостанции установить невозможно. слишком мало информации.
А если мы будем включать и выключать генератор в определенном ритме, например, используя азбуку Морзе? Вот тут информации будет намного больше: можно передать позывной радиостанции для ее опознавания, какой-нибудь текст или набор цифр. Такой вид передачи информации, когда передающая радиостанция или излучает или молчит, называется амплитудной манипуляцией. Именно таким образом А.С. Попов передал в эфир первую информацию: слова "Генрих Герц". Именно так работают и QRP передатчики, о которых я писал в статье "Для начинающих. QRP из 70-х".
Все хорошо в таком способе передачи информации: во время передачи излучается полная мощность передатчика, а в паузах передачи излучения совсем не происходит и энергия не тратится. Только вот загвоздка - нужно уметь работать на ключе и принимать телеграф на слух. Правда, во время всеобщей цифровизации и компьютеризации можно использовать для приема и передачи компьютер, но, скажу честно, пока программы по дешифровки телеграфа отстают от приема на слух, особенно в условиях помех.
Вполне ожидаемо, что люди захотели услышать в эфире обычную речь, а не точки и тире. Оказалось, что сделать это просто: нужно в такт с звуковыми колебаниями изменять амплитуду высокочастотного сигнала. Впервые это удалось проделать в 1900 году с искровым передатчиком. Качество было так себе, дальность связи - менее 2 км. И только с изобретением электронных ламп и схем ламповых генераторов ВЧ появилась качественная амплитудная модуляция.
Графически процесс амплитудной модуляции выглядит так:
Кривая А - это синусоидальный низкочастотный сигнал. На графике Б - синусоидальный высокочастотный сигнал несущей частоты. На графике В - амплитудно-модулированный высокочастотный сигнал. Как видим, отрицательная полуволна НЧ сигнала соответствует уменьшению амплитуды несущей, а положительная полуволна - увеличению ее амплитуды.
Таким образом амплиту́дная модуля́ция — это такой вид модуляции, при котором изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.
АМ-сигнал характеризуется коэффициентом модуляции:
m = 100% х (Amax - Amin)/(Amax + Amin)
Графически это выглядит так:
При m < 100% качество сигнала хорошее, но затраты энергии не оптимальны, при m > 100% появляются искажения сигнала, при m = 100% и искажений нет и энергетика оптимальная. Все это понятно при модуляции сигналом одной частоты с неизменной амплитудой, в жизни все сложнее: речевой сигнал многочастотный и с переменной амплитудой. Потому редко используют модуляцию глубже 60%, чтобы избежать искажений, но платят за это неоптимальной энергетикой.
Теперь давайте обратимся к спектру АМ-сигнала. В процессе амплитудной модуляции спектр сигнала расширяется, в его составе кроме несущей частоты появляются еще две частоты (в случае модуляции одночастотным сигналом).
Величина одной из новых частот равна сумме несущей и частоты НЧ сигнала, на графике она по частоте выше несущей и называется верхней боковой полосой (ВБП, USB). Величина другой новой частоты равна разнице между частотой несущей и частотой НЧ-сигнала, на графике она по оси частот ниже несущей и называется нижней боковой полосой (НБП, LSB). Конечно, при модуляции одночастотным сигналом это не полосы в полном понимании этого слова, но вот при модуляции многочастотным сигналом, например, речью, это действительно полосы.
Если уровень НЧ-сигнала равен нулю, то боковых полос нет, а несущая излучается, т.е. бОльшая часть энергии уходит именно на излучение несущей (около 70%). С одной стороны наличие мощной несущей - это достоинство, например, для приводных маяков аэропортов. Мощную несущую можно обнаружить даже простым приемником и ориентироваться на нее. В советское время, уходя за грибами, брали с собой АМ приемник и ориентировались по известным станциям на ДВ и СВ, благо их было слышно по всей территории СССР и не только :).
Но в чем же тогда достоинство амплитудной модуляции, если большая часть излучаемой энергии не несет полезной информации? Все достоинства - на стороне приемника: основное - простота демодуляции. Для этого нужен всего - навсего один диод или транзистор. И никаких других сложностей!!! Мощный передатчик (1000 кВт) и простейший детекторный приемник.
А теперь еще об одном существенном недостатке АМ - широкой полосе частот, которая занимает радиостанция. Представим, что мы будем передавать НЧ- сигнал с полосой 10 кГц. Тогда сигнал радиостанции, учитывая обе боковые полосы, будет занимать как минимум 20 кГц, а это достаточно много, если учитывать, что ширина ДВ диапазона была всего 258 кГц ( в соответствии со стандартом СССР 1964 года). На нем уместятся всего 12 радиостанций. Вот фотография шкалы приемника "Харьков".
Обратите внимание на количество радиостанций на диапазоне ДВ (самый верхний), а особенно на название города, откуда вещала станция на частоте около 158 кГц (1900 м).
Но, в соответствии с Государственным стандартом на радиовещательные приемники ГОСТ 5651-64 полоса ширина полосы принимаемых частот на ДВ, СВ и КВ не превышала 7 кГц даже в режиме "Местный прием".
А сложна ли схема модулятора АМ. Ничего сложного, вот его модель в LTspice.
В этом случае транзистор Q2 является аналогом переменного резистора, сопротивление которого меняется в такт с модулирующим напряжением НЧ, изменяя усиление каскада на транзисторе Q1. Обратите внимание, что напряжение ВЧ сигнала на входе всего 100 мВ, а напряжение модулирующего сигнала НЧ всего 60 мВ, а на выходе амплитуда АМ доходит до 4,5 В. Все это объясняется использованием в качестве нагрузки резонансного контура, настроенного на частоту несущей.
При использовании резистивной нагрузки все несколько по-другому из-за изменения режима транзисторов.
Видно, что используя на выходе резонансный контур, можно получить сигнал хорошего качества. Следует отметить важность установки начальной рабочей точки транзистора Q2. Желательно установить ее на середине линейного участка ВАХ транзистора, чтобы он мог и призакрываться и приоткрываться.
Для того, чтобы повысить энергоэффективность радиостанции нужно подавить совсем или хотя бы частично. В результате получится АМ-сигнал с подавленной несущей и двумя боковыми полосами (ДБП, DSB). При этом виде модуляции, если отсутствует модулирующий сигнал, то радиостанция или вообще не излучает, или излучает маломощный остаток несущей.
Этот вид модуляции возможно схемно реализуется достаточно просто. Нужно использовать балансный модулятор, который подавляет несущую, но не подавляет боковые полосы.
Как видите, схема очень простая: всего два диода и два трансформатора с симметричными обмотками (чаще всего это широкополосные ШПТЛ). Схема работает дующим образом.
При одном полупериоде высокочастотного напряжения fг оба диода заперты и ток через них не идет. При следующем полупериоде напряжение оказывается приложенным к диодам в противоположной полярности, и оба диода открыты. Если при этом отсутствует модулирующее напряжение Fнч, и проводимость диодов одинакова, токи в обмотках трансформатора Tr2 равны и направлены в противоположные стороны. Магнитный поток равен нулю, и на выходе никакого сигнала нет, т.е. несущая подавлена.
Если теперь на первичную обмотку трансформатора Tr1 подать модулирующее напряжение, то во вторичной обмотке трансформатора появится переменная э.д.с. Она оказывается приложенной к диодам в различной полярности. Ток того диода, для которого полярность приложенной э.д.с. противоположна прямому току, уменьшится, а ток другого диода увеличится. Поэтому магнитный поток в трансформаторе Tr2 не будет равен нулю, и во вторичной обмотке наведется э.д.с. . При следующей полуволне модулирующего напряжения увеличится ток через другой диод, в результате чего также появится э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора Tr2. В результате преобразовательных свойств диодов частоты этих Э.Д.С. будут равны сумме и разнице частоты несущей и частоты модулирующего сигнала, т.е. формируются две боковые полосы.
К сожалению, в этой простой схеме из-за неодинаковых параметров диодов и их проходной емкости, подавление несущей без дополнительных элементов балансировки составит около 25 - 30 дБ.
Гораздо лучший уровень подавления несущей можно при использовании 4-х диодов в кольцевом балансном модуляторе с элементами балансировки. Например, такой, который использовался в схеме трансивера "Радио 76". В таком модуляторе уровень подавления несущей может превышать 50 дБ.
Отлично, DSB - сигнал имеет энергетический выигрыш по сравнению с обычной АМ из-за отсутствия несущей и при одинаковой мощности передатчиков DSB и АМ первый будет слышно на бОльшем расстоянии. Но есть и недостатки у DSB. Первый из них - полоса, занимаемая сигналом, такая же, как и у АМ. Второй - для демодуляции в приемнике нужно использовать схему, аналогичную модулятору, а также иметь генератор с частотой подавленной несущей. В трансивере эта трудность устраняется, так как там для формирования DSB есть и балансный модулятор и генератор несущей.
Следующим шагом в увеличении дальнобойности связи был переход к однополосной модуляции (SSB). Действительно, зачем передавать две полосы, которые несут одинаковую информацию? Нужно передавать только одну, а вторую подавить. Чтобы это сделать, нужно пропустить DSB-сигнал через узкополосный фильтр, который пропустит одну полосу и подавит другую. Для этого используют электромеханические, пьезоэлектрические или кварцевый фильтры. Есть еще и фазовый метод формирования SSB, но он схемно сложнее и используется в основном в трансиверах прямого преобразования.
А вот простая схема для формирования SSB с помощью ЭМФ.
Выигрыш SSB по сравнению с обычной АМ составляет около 4-х раз по мощности. Это значит, что передатчик SSB мощностью 25 Вт будет эквивалентен по "дальнобойности" АМ - передатчику мощностью 100 Вт. Почувствуйте разницу! Для демодуляции SSB нужно направить сигнал на схеме (рис 13) в обратную сторону. Т.е. подать SSB сигнал на правый вывод С7, а сигнал НЧ снять с правого вывода R1. Важно правильно установить частоту fг, при приеме верхней боковой полосы частота гетеродина должна располагаться на нижнем скате АЧХ фильтра, а при приеме нижней боковой полосы - на верхнем скате АЧХ.
Например, на рис 12 используется фильтр ЭМФ500-3В (верхняя боковая полоса, опорная частота - 500 кГц, полоса фильтра - 3 кГц). А можно ли с помощью этого фильтра принимать нижнюю боковую полосу? Да, можно, Для этого нужно изменить опорную частоту, увеличив ее до 503 кГц.
Обычно в при любительской связи (да и не только при ней) полосу сигнала сужают до 2,5-3 кГц. Это позволяет сосредоточить энергию в более узкой полосе, а не размазывать ее по широкой :).
А можно ли еще повысить дальнобойность и сузить полосу? Можно. и этим уже давно занимаются. И первым была тоновая телеграфия. Реализовать ее совсем просто: нужно вместо микрофона в SSB-трансивере подключить генератор низкой частоты, который манипулируется (включается и выключается) телеграфным ключом. При этом манипуляция никак не влияет на частоту передатчика. Желательно, чтобы генератор генерировал синусоидальный сигнал, тогда выходной сигнал передатчика будет иметь очень узкую полосу. При использовании в приемнике узкополосного телеграфного фильтра работа с таким передатчиком практически не будет отличаться от телеграфной манипуляции высокочастотным генератором.
Ну а далее пошли цифровые виды связи. В принципе это видоизмененный SSB сигнал, где для модуляции используется модуляция не одной частотой, а двумя, тремя и более частотами. При этом полоса этих сигналов не превышает 1 кГц, а часто составляет 100 Гц и менее. Мало того, что такой узкополосный сигнал является очень "пробивным", но и использование компьютерных методов его обработки позволяет буквально "выцарапывать" сигнал из шумов. Так, например, наиболее модный сейчас способ цифровой связи FT8 позволяет принимать сигналы, уровень которых более чем на 20 дБ ниже уровня шумов. Вот где раздолье для QRP ;). Но без компа в "цифре" невозможно.
Вот что происходило с видами модуляции за 100 лет. Конечно, существует еще ЧМ или ФМ, ШИМ и много еще чего. Но не стоить сразу обо всем!
Всем здоровья и успехов!