Всем доброго.
Недавно один товарищ задал мне интересный вопрос. Думаю, он возник не у него одного, поэтому решил написать статью с развернутым ответом, заодно разобрать распространенное заблуждение о природе амплитудной модуляции (АМ).
Итак, вопрос звучал так: "Каким образом амплитудная модуляция, именно такая, какую описывают в учебниках, может передавать звуковую информацию в довольно широком спектре излучаемой частоты?"
Чтоб было понятно откуда растут ноги вопроса, скажу, что товарищь недавно стал обладателем SDR приемника и активно в него смотрит слушая все что можно и ненужно.
Если рассматривать АМ так, как её часто кратко описывают в книгах, создается упрощенное и ошибочное впечатление: мы имеем одну неизменную частоту генератора (несущую), а сила (амплитуда) этого сигнала меняется пропорционально напряжению звуковой частоты. Это порождает путаницу.
Для понимания сути вопроса можно провести аналогию, о которой упомянул в беседе товарищ. Возьмем обычный аудиоусилитель и вместо динамика подключим к его выходу светодиод. Яркость светодиода будет изменяться в такт с подводимым к нему напряжением звуковой частоты. Однако частота самого света (его цвет) останется неизменной. Если мы возьмем красный светодиод, например, с типовой длиной волны 630 нм, то при любой яркости его излучения длина волны меняться не будет. Цвет остается красным.
Так откуда берутся боковые полосы, которые в спектре АМ-сигнала располагаются слева и справа от несущей частоты? Ведь если частота задающего генератора неизменна, а модулятор меняет только силу (амплитуду) излучения этой частоты, спектр должен оставаться одной тонкой линией, как в примере со светодиодом.
В чем подвох?
На самом деле, то, что написано во многих книжках касательно амплитудной модуляции, часто до безобразия упрощено. Там описывается лишь сам метод, но не физика процесса формирования сигнала.
На самом деле амплитудный модулятор работает как смеситель. Он не просто "прикручивает вентиль" на выходе генератора, меняя "громкость". Он перемешивает два сигнала:
1. Высокочастотную несущую от задающего генератора.
2. Низкочастотный сигнал (звук) от микрофонного усилителя.
В процессе этого нелинейного смешивания (перемножения) двух частот возникают новые комбинационные частоты, а именно сумма и разность исходных частот.
Верхняя боковая полоса: Несущая частота + Звуковая частота.
Нижняя боковая полоса: Несущая частота — Звуковая частота.
Именно эти, по сути, промежуточные продукты смешивания и несут в себе информацию о звуковом сигнале. А приемник, используя нелинейный элемент (диодный детектор), выполняет обратный процесс, выделяя из этой суммы (или разности) исходный звук.
Эти боковые полосы прекрасно видны на водопаде (панораме) SDR-приемника. В центре — мощная несущая частота, а слева и справа от нее — "лепестки" с информацией, ширина которых равна полосе звукового сигнала.
Если бы амплитудная модуляция работала так, как она описана в книжках (простое изменение амплитуды несущей без изменения спектра), то на панораме SDR мы бы видели одну-единственную тонкую линию, которая пульсирует по яркости в такт с речью. Никакой информации из такого сигнала вытянуть было бы невозможно, и он занимал бы бесконечно узкую полосу.
А можно ли сделать "как с лампочкой"?
Можно ли промодулировать несущую так, чтобы менялся только уровень сигнала несущей частоты, а боковые полосы не появлялись? Чтобы в эфире была только одна пульсирующая частота?
Нет, так сделать невозможно.
Инженеры и изобретатели не задумывали появление боковых полос как опцию — это неизбежный физический результат любого процесса, который меняет амплитуду колебания во времени. Строго говоря, идеальное гармоническое колебание бесконечной длительности имеет одну-единственную частоту. Как только мы начинаем его модулировать (менять амплитуду), оно перестает быть идеально гармоническим — его длительность становится конечной или форма меняется. А любой конечный или изменяющийся сигнал в реальном мире обязательно имеет спектр, отличный от одной точки. При любой реализации амплитудной модуляции (даже если мы просто меняем питание выходного каскада, или сигнал звука физически подмешиваем в другие цепи) эффект сложения и вычитания частот неизбежен. От этого эффекта не избавиться.
Кстати, мощность (или амплитуда) боковых полос напрямую зависит от глубины модуляции. Чем глубже модуляция (то есть чем эффективнее звуковой сигнал изменяет интенсивность несущей), тем выше будет амплитуда боковых полос и тем громче будет звук в приемнике.
Врут ли учебники?
Нет, учебники не врут. Метод, который позволяет появиться по бокам от несущей частоты полосам с информацией, действительно в своей основе является амплитудной модуляцией. Просто из учебников часто выбрасывают математическое описание процесса преобразования частот, оставляя лишь голый метод получения. Приемник радиослушателя действительно выделяет звуковой сигнал из огибающей изменяющейся амплитуды высокочастотного сигнала, только не из самой несущей, которая таки меняется по уровню в такт со звуком, а из боковых полос.
Вопрс: а кто знает: почему принятый сигнал обязательно нужно детектировать именно диодом (или другим нелинейным элементом) для получения звуковой частоты на выходе? Ведь кажется логичным: если на передатчике сигнал промодулирован по амплитуде, то на стороне приема достаточно было бы просто поставить фильтр нижних частот, который отрежет высокочастотную несущую и оставит только низкочастотную информацию. Почему так не делают?
В следующей статье подробно расскажу, почему так не работает. А пока — жду ваши версии в комментариях, друзья!