"Радио Всем", №7, апрель 1927 год, стр. 149-151

З. Х.

РАДИОТЕЛЕФОНИЯ ОДНОЙ БОКОВОЙ ПОЛОСОЙ ЧАСТОТ.

В предъидущих статьях ¹) мы познакомились с применяемым в настоящее время способом передачи звуков по радио.

В настоящей статье будет рассмотрен метод передачи, известный под названием передачи одной боковой полосой.

Этот метод применяется сравнительно давно при телефонировании токами высокой частоты по проводам ²). В последнее время им начали интересоваться и радиотехники. В начале текущего года вступили в эксплоатацию две мощные радиостанции, поддерживающие двустороннюю связь между Англией и Америкой, при чем передача происходит на одной боковой полосе.

При тех выгодах, которые дает такой метод радиопередачи, есть основания рассчитывать, что в недалеком будущем он займет надлежащее место в системе радиосвязи.

Прежде чем приступить к рассмотрению этого метода, необходимо привести несколько общих соображений относительно колебаний ³).

Простейшим видом колебаний являются колебания синусоидальные, т.-е. такое явление, при котором изменение какой-нибудь величины по времени может быть изображено графически кривой, называемой синусоидой (чертеж 1). Примером могут служить колебания ножек камертона относительно положения покоя.

Черт. 1 и 2.

Колебания воздуха, вызванные движением ножек камертона, также синусоидальны.

Колебания всякой другой формы являются колебаниями сложными.

Колебания воздуха при разговоре, при игре на любом музыкальном инструменте представляют собой пример сложных колебаний.

Всякий сложный колебательный процесс может быть представлен в виде нескольких отдельных простейших колебаний. При этом важно отметить, что это представление не только мысленное, удобное для различных исследований, но соответствует действительности. Это значит, что человек, наблюдающий какой-нибудь сложный колебательный процесс, не заметит разницы, если этот процесс будет заменен несколькими простыми колебаниями, подобранными по определенным законам.

Например, звук «а» представляет собой довольно сложные колебания воздуха. Но определенный набор камертонов, звучащих одновременно, будет так же воспринят человеческим ухом, как звук «а». Если перед раскрытым роялем произнести звук «а» или «о», то рояль его воспроизведет. Но в этом случае явление значительно сложнее, чем в опыте с камертонами; более подробно на нем останавливаться не можем.

Синусоидальные колебания, на которые может быть разложен всякий сложный колебательный процесс, могут отличаться одно от другого амплитудой, частотой и фазой.

В очень многих случаях частоты синусоидальных колебаний, на которые разлагаются колебания сложной формы, находятся в довольно простых отношениях между собой. Именно: частота одной слагающей в точности равна частоте сложных колебаний, а частоты всех других составляющих в 2, 3, 4 и т. д. раз (другими словам, в целое число раз) больше. Первая слагающая называется основной, а все остальные — высшими гармоническими, или, просто, гармониками.

Разумеется, существуют и такие сложные колебания, частоты слагающих которых находятся в любых других соотношениях. В настоящей статье нам придется иметь дело с последним видом сложных колебаний.

Наконец, еще одно замечание. Совершенно очевидно, что всякое колеблющееся тело, будь то маятник, электрон, частица воздуха или любой другой среды, в которой происходят колебания, имеет некоторый запас энергии, который постепенно расходуется на преодоление сопротивлений движению. Наоборот, чтобы привести какое-нибудь тело в колебательное состояние, необходимо затратить некоторое количество энергии. Не менее очевидно и то, что это количество энергии зависит от амплитуды ⁴) колебаний тела: с возрастанием амплитуды возрастает и расход энергии на поддержание тела в колебательном состоянии. Зависимость между этими величинами такова, что с увеличением амплитуды, скажем, в 2, 3, 4 и т. д. раз энергия возрастает в 4, 9, 16 и т. д. раз ⁵).

Таким образом, колебания сложной формы можно заменить несколькими колебаниями синусоидальными, определить амплитуды, частоты и фазы каждого составляющего колебания ⁶), а также определить ту часть общей энергии, которая приходится на каждую составляющую.

Из предыдущей статьи мы видели, что передача звуков по радио происходит благодаря изменению амплитуды колебаний высокой частоты в такт колебаниям звуковой частоты. При передаче простого тона (звука камертона) кривая изменения силы тока в антенне имела вид, приведенный на черт. 2.

Очевидно, мы здесь имеем дело с колебаниями сложной формы и к ним можно применить все предыдущие рассуждения.

Такая кривая может быть разложена на 3 синусоиды с такими амплитудами и частотами: 1) Амплитуда J₀ и частота F₀; 2) Амплитуда J₁ = (J₀/2)К и частота F₀ — F и 3) Амплитуда J₂ = (J₀/2)K и частота F₀ + F. Здесь К — попрежнему означает коэффициент модуляции и J₀ — амплитуду тока высокой частоты при холостом ходе.

Не будем приводить тех выкладок, в результате которых получаются эти величины. Убедиться в правильности такого разложения можно весьма простым способом: если сложить все 3 синусоиды по правилам сложения колебаний, то суммарная кривая будет представлять собой кривую модулированного тока в антенне ⁷).

Черт. 3 и 4.

Первая слагающая, с частотой F₀, называется несущей или частотой переноса; вторая, с частотой F₀—F, называется нижней боковой частотой и третья с частотой F₀+F верхней боковой частотой.

Так как при телефонии мы имеем дело не с одной определенной звуковой частотой, а с целым диапазоном, или, как говорят, полосой частот, то каждой звуковой частоте будет соответствовать своя верхняя и нижняя боковые частоты. В результате, при передаче речи или концерта, мы имеем одну частоту переноса и верхнюю и нижнюю боковые полосы частот.

Рассмотрим численный пример.

Пусть радиотелефонная станция работает на волне 1450 метров, что соответствует частоте F₀ = 207.000 периодов в секунду.

Для сохранения художественного впечатления при концертных передачах считается необходимым передавать звуковые частоты от 50 до 10.000 периодов в секунду. Следовательно, нижняя боковая полоса частот этой станции будет от 197.000 до 206.950 периодов в секунду и верхняя полоса частот — от 207.050 до 217.000 периодов в секунду.

По целому ряду причин, с которыми познакомимся в дальнейшем, передача такого большого диапазона частот чрезвычайно затруднительна, и в действительности боковые полосы частот радиотелефонных станций значительно уже.

Теперь допустим, что при передаче какого-нибудь простого тона, скажем в 3.000 периодов в секунду, коэффициент модуляции достигает 100%. Если амплитуду несущей частоты примем за единицу, то амплитуды боковых частот будут равны лишь половине (см. выше). На черт. 3 приведена кривая модулированного тока при К = 100% и разложение ее на несущую и боковые частоты.

Если сложить кривые в, с и д, то получается кривая а.

На черт. 4 приведено разложение кривой модулированного тока с теми же условиями, что для черт. 3, но при К = 50%. Как видно в этом случае, амплитуды боковых частот составляют всего лишь ¼ от амплитуды несущей частоты. По приведенным выше формулам нетрудно подсчитать отношение амплитуд для любого коэффициента модуляции.

Зная отношение амплитуд, нетрудно подсчитать и отношение энергий или мощностей. В самом деле: уже указывалось, что если амплитуда одной синусоиды в 2 раза больше амплитуды другой, то мощность ее в 4 раза больше; если амплитуда больше в 4 раза, то мощность больше в 16 раз и т. д. Следовательно, при коэффициенте модуляции в 100% мощность каждой боковой частоты составляет ¼ от мощности несущей частоты или, что одно и то же, от мощности холостого хода. Нетрудно подсчитать, что по отношению к общей модулированной мощности, мощность несущей частоты составляет приблизительно 66% и боковых частот по 17%.

Для случая коэффициента модуляции в 50% получим следующие цифры: мощность каждой боковой частоты составляет ¹/₁₆ от мощности холостого хода. Из общей модулированной мощности на долю несущей частоты приходится приблизительно 89% и по 5½% на каждую боковую частоту.

На основании этих соотношений можно вычислить, какая часть мощности, излучаемой антенной, полезна для приема и какая часть может быть сохранена при другом методе радиопередачи.

Читатель может сопоставить эти результаты с тем, что было сказано в предыдущей статье.

Подробно этот вопрос будет разобран в следующей статье.