БСЭ1/Модуляция, в радиотехнике

← Модуляция, в музыке

Модуляция, в радиотехнике Большая советская энциклопедия (1-е издание)

Модус →

Словник: Мерави — Момоты. Источник: т. XXXIX (1938): Мерави — Момоты, стлб. 618—622

МОДУЛЯЦИЯ, радиотехнич. термин, означающий воздействие на систему, совершающую гармоническое (синусоидальное) колебание, при помощи какого-либо процесса (периодического или непериодического), вследствие чего результирующее колебание уже не является гармоническим (синусоидальным). Изменения, вносимые М., представляют собой радиопередачу в собственном смысле слова, является ли она телеграфной, телефонной или телевизионной. Как известно, радиоволны излучаются тем лучше, чем выше частота их. Поэтому для радиостанций используются высокочастотные колебания (или более короткие волны). Однако такие высокочастотные колебания не могут быть восприняты человеч. ухом. Поэтому для передачи речи, музыки или иных сигналов необходимо внести соответствующие изменения в амплитуду или частоту высокочастотных колебаний и притом производить данные изменения с такой частотой, чтобы это не вносило большой расстройки, т. е. чтобы получающиеся в результате колебания не были далеки от основной частоты (или длины волны) радиостанции. В соответствии с этим характерной чертой модуляционных нарушений синусоидальности волны является их медленность по сравнению с частотой модулируемой волны. Употребляемые радиочастоты занимают диапазон от $10^{5}$ до $10^{9}$ герц, между тем как модуляционные частоты лежат ниже $2\cdot 10^{4}$ герц (для речи и музыки) и, во всяком случае, не выше $10^{5}$ герц даже для наиболее быстрых телевизионных сигналов. Отвлекаясь от наличия обертонов, относительная интенсивность которых к тому же достаточно ослаблена у современных станций, мы можем охарактеризовать излучение радиостанции в отсутствие М. законом синуса:

$s=A~sin~(\omega t+\varphi ).$   (1)

Здесь $s$ — либо ток в антенне, либо напряженность поля в какой-либо точке пространства, т . е. вообще какая-нибудь мера излучения, $t$ — время, $A$ — амплитуда, $\omega$ — циклич. частота и ($\varphi$ — начальная фаза. $A,~\omega$ и $\varphi$ — постоянные величины, не меняющиеся во всем интервале изменения (от $-\infty$ до $+\infty$). Постоянство этих величин входит в само определение синусоидального закона изменения (1).

Воздействуя на приемник, колебание (1) вызывает в нем синусоидальный ток той же частоты $\omega$. Так как радиочастоты $f={\frac {\omega }{2\pi }}$ лежат обычно не ниже $10^{5}$ герц, то непосредственно этот высокочастотный ток можно зарегистрировать только аппаратом с ничтожной инерцией, как, напр., трубка Брауна (электронный осциллограф). Разумеется, никакой телефон или ондулятор не будет поспевать за такими быстрыми колебаниями. Поэтому в радиотехнике используются нелинейные эффекты, позволяющие трансформировать частоты и, в частности, снижать их. Для этой цели служат детекторы (см.), т. е. проводники с нелинейной (не подчиняющейся закону Ома) зависимостью между током и приложенным напряжением. Таковыми являются катодные лампы, нек-рые кристаллические контакты и др. В большинстве случаев можно достаточно полно охарактеризовать действие детектора, приписав ему квадратичную зависимость силы тока $I$ от приложенного напряжения $V$:

$I=kV^{2}.$

Если к такому детектору приложено напряжение (1) (под $s$ теперь понимается $V$), то получается ток

$I=k[Asin(\omega t+\varphi )]^{2}={\frac {kA^{2}}{2}}-{\frac {kA^{2}}{2}}co~2(\omega t+\varphi ).$

Таким образом, колебание с частотой $\omega$ трансформируется в колебание с частотой $2\omega$ (второй член) и с частотой, равной нолю, т. е. в постоянный ток ${\frac {kA^{2}}{2}}$, называемый постоянной слагающей. Последний, проходя через телефон или ондулятор, вызовет постоянное смещение мембраны или пишущего острия. По этому смещению можно констатировать, что станция работает, но не более.

Для осуществления радиопередачи необходимо нарушить синусоидальность вызываемого радиостанцией колебания (1). Одним из наиболее простых нарушений может служитьРис. 1. включение и выключение колебания (1), производимое на передающей станции специальным прерывателем (ключом). На данном способе М. основано телеграфирование. В этом случае, вместо непрерывного излучения, радиостанция посылает ряд отдельных отрезков синусоиды или волновых цугов (рис. 1а), причем из комбинаций более коротких цугов (точки) и более длинных (тире) составляются буквы (азбука Морзе). Последовательность синусоидальных цугов, конечно, уже не является синусоидальным колебанием, т. к. амплитуда не постоянна во времени, а меняется от ноля в промежутках между цугами до значения $A$ в течение каждого цуга, как это показано жирной линией на рис. $1a$. При детектировании такого прерывного колебания ток (и, в частности, его постоянная слагающая ${\frac {kA^{2}}{2}}$) будет получаться только во время прохождения цугов. Эти медленные изменения постоянной слагающей тока, происходящие — по числу сигналов — лишь несколько раз в секунду, будут воспроизведены мембраной телефона (щелчком в начале и конце каждого цуга) или записаны пером ондулятора, как показано на рис. $1b$. Для тонального приема телеграфных сигналов применяется т. н. гетеродинирование (см. Гетеродин), Процесс выявления низкочастотных сигналовРис. 2. из модулированного колебания высокой частоты носит название демодуляции. В наст. время демодуляция осуществляется в радиотехнике исключительно с помощью детекторов, но возможны и некоторые другие способы.

Описанный тип М., в котором $A$ меняется скачкообразно между нолем и нек-рым постоянным значением, представляет собой частный случай амплитудной М. Последняя охватывает всевозможные колебания вида

$s=A(t)~sin~(\omega t+\varphi ).$   (2)

где $A(t)$ — нек-рая функция времени $t$, ограниченная лишь условием медленности ее изменения по сравнению с колебаниями $sin(\omega t+\varphi )$. Кроме амплитудной, имеется еще частотная М., соответствующая случаю, когда $\omega$ есть функция $t$, и фазовая М., при к-рой $\varphi$ зависит от $t$. Следует, однако, отметить, что различение частотной и фазовой М. имеет до нек-рой степени искусственный характер. И та и другая означают, что под знаком синуса в (1) стоит нелинейная функция $t$:

$s=A~sin~F(t)$   (3)

(причем нелинейность $F$ невелика). Проистекает ли эта нелинейностьРис. 3. за счет $\omega$ или за счет $\varphi$ — это вопрос, к-рый не может быть разрешен никаким приемником, никакой демодуляцией, т. к. для всякого закона изменения $\varphi (t)$ можно указать эквивалентный — дающий такое же $F(t)$ — закон изменения $\omega (t)$ и обратно. Поэтому частотную и фазовую М. можно различать, отправляясь не от свойств результирующего колебания, а лишь из каких-либо других соображений, например, связанных с отличиями в способах получения колебания (3). Напротив, свойства колебания (2), модулированного по амплитуде, существенно разнятся от свойств колебания (3), модулированного по частоте или фазе. Колебания (2) и (3) можно распознать при приеме, не обращаясь к тому, что происходит на передающей станции. В радиовещании применяется амплитудная М., что связано с нек-рыми ее преимуществами.

Для осуществления амплитудной М., как и для демодуляции, в радиотехнике применяются нелинейные проводники — катодные лампы. На рис. 2 показана принципиальная схема модуляторного каскада передатчика. На сетку лампы подается высокочастотное напряжение от задающего генератора (синусоидальное колебание $V_{0}~cos~\omega t.$) и переменное напряжение низкой частоты от микрофона. Положим для простоты, что это (модулирующее) напряжение тоже синусоидальное, т. е. $V~cos~pt.$

Если представить нелинейную характеристику лампы суммой линейного и квадратичного членов:

$I_{a}=sv+kV^{2},$

а сеточное напряжение, согласно сказанному выше, — выражением

$V=V_{0}~cos~\omega t+V~cos~pt,$

где $\omega$ и $p$ — соответственно высокая и низкая частоты, то анодный ток будет:

$I_{a}=sV_{0}~cos~\omega t+2kV_{0}V~cos~\omega t~cos~pt+$
+ (члены с частотами, далекими от $\omega$) =
$=sV_{0}\left(1+2{\frac {k}{s}}V~cos~pt\right)~cos~\omega t+...$    (4)

Иначе это можно записать в виде

$I_{a}=sV_{0}~cos~\omega t+kV_{0}V~cos~(\omega +p)t+$
$+kV_{0}V~cos~(\omega -p)t...$    (4a)

Таким образом, анодный ток в числе прочих колебаний содержит три синусоидальных колебания с близкими частотами $\omega ,\omega -p$ и $\omega +p$, к-рые и пройдут через последующие резонансные контуры усилителей к антенне.

Следовательно, колебание в антенне будет иметь вид:

$s=A(1+k~cos~pt)~cos~\omega t+...,$    (5)

показанный на рис. $3a$; $k$ называется коэфф. глубины М., а частота $p$, с к-рой меняется амплитуда, — частотой М. Согласно (4) и (4а), колебание (5) эквивалентно сумме трех синусоидальных колебаний: одно с неизмененной частотой станции $\omega$ (т. н. несущая) и два других, симметрично сдвинутых по частоте на величину $p$ в обе стороны от несущей (т. н. спутники). Этот спектр показан на рис. $3b$, где по оси абсцисс отложены частоты, а по оси ординат — амплитуды.

В действительных условиях телефонной М. подаваемое от микрофона модулирующее напряжение не синусоидально, а содержит всевозможные частоты звукового диапазона. В силу этого по обе стороны от несущей симметрично располагаются две полосы, внутренние и внешние края которых соответствуют наиболее низкой ($p_{min}$) и наиболее высокой ($p_{max}$) присутствующей звуковой частоте (рис. $3c$). Чем быстрее М., тем шире захватываемый станцией диапазон частот. Это ограничивает допустимую скорость передачи, поскольку частотные интервалы различных станций, чтобы последние не мешали друг другу, не должны перекрываться между собой (проблема тесноты в эфире).

Одно время в радиотехнике высказывалось утверждение, что указанная проблема может быть решена посредством частотной М., при к-рой частотный интервал станции, якобы, может быть сколько угодно сужен уменьшением коэфф. глубины М. Основой этой ошибки является забвение условного характера терминов «синусоида с переменной амплитудой или частотой». В действительности гармонич. спектр частотно-модулированного колебания также состоит из несущей и спутников, расположенных симметрично на интервалах, кратных частоте М. $p$, и, следовательно, не может быть сужен без ущерба для скорости телеграфирования или без урезывания высоких тонов при телефонии. Наоборот, при одной и той же глубине М. гармонич. спектр частотно-модулированного колебания гораздо богаче спутниками, чем спектр амплитудно-модулированного колебания, т. е. во всяком случае не у́же, чем $2p$, а, как правило, — шире. В этом заключается одно из преимуществ амплитудной М.

В одной плоскости с этой ошибкой лежит и полемика о реальности спутников, к-рая была поднята Флемингом в 1930. Несмотря на математич. тождество (4) и (4а), Флеминг и вслед за ним ряд других авторов утверждали, что реальное физич. содержание имеет только (4) «синусоида с переменной амплитудой», а разложение (4а) — математич. фикция. Исчерпывающая критика такой постановки вопроса принадлежит акад. Л. Мандельштаму, к-рый указал на то, что вопрос вообще лишен содержания, и спор идет о словах, пока ничего не сказано о воспринимающем аппарате. Если, напр., таким аппаратом является колебательный контур, то при достаточно низкой селективности он хорошо воспроизведет форму модулированного колебания. В этом случае действительно можно рассматривать действие силы (4) как действие гармонической силы (т. е. не учитывать непостоянства амплитуды), а затем уже в окончательной формуле вынужденного колебания вновь вернуться к переменной амплитуде. В этом и смысл и предел (для данного аппарата) целесообразного употребления термина «синусоида с переменной амплитудой».

Другой крайний случай — наличие у контура настолько высокой селективности, что при настройке на одну из трех частот $\omega ,\omega -p$ и $\omega +p$ он почти не откликается на две другие. В этих условиях непосредственно выявляется физический смысл разложения (4а) (наличие трех отдельных резонансов), и трактовка действующей силы как синусоиды с переменной амплитудой теряет всякое содержание.

Медленные нарушения синусоидальности встречаются не только в радиотехнике, но и в самых различных областях физики и техники. Можно указать, напр., на разнообразные оптич. явления, связанные с расщеплением спектральных линий (эффект Зеемана, комбинационное рассеяние, искусственная М. света при помощи электрооптических, ультразвуковых и механич. прерывателей или модуляторов), на акустич., электрич. и оптич. биения, на ультразвуковые колебания, модулированные частотами слышимого диапазона, на пульсации скорости вращения различных двигателей и т. д. Во всех этих явлениях имеются налицо два типа процессов, каждый из к-рых характеризуется своим масштабом скорости, своим диапазоном частот, во много раз отличным от другого. Частота модулирующего колебания (напр., ларморовская частота в эффекте Зеемана или инфракрасные частоты внутримолекулярных колебаний в комбинационном рассеянии) по меньшей мере в сотни раз ниже частоты модулируемого колебания (в приведенных примерах — частоты самой спектральной линии). Во всех указанных и подобных им случаях можно говорить о М., о модулированных колебаниях и т. п. Такое расширенное понимание указанных терминов основано не на внешнем сходстве, а на общности закономерностей в этих на первый взгляд столь разнородных явлениях.

Лит.: Модуляция, Физический словарь, под ред. П. Н. Беликова, т. III, М., 1937; Хунд А., Измерения при высокой частоте, М. — Л., 1931.

С. Рытов.