проф. М. А. Бонч-Бруевич.
Сила радиосигнала в месте приема определяется тем электрическим полем, которое создает электрическая волна.
Отличие одного сигнала от другого, позволяющее выделить его на фоне необъятного множества других сигналов, заключается в его различных особенностях, воспользовавшись которыми можно отличить его от других сигналов и, главное, предоставить ему более благоприятные условия для воздействия на приемные аппараты.
Одним из самых существенных отличий является период сигнала, или, иными словами, та длина волны, которой сигнал подан.
Резонансный контур помогает выделить из общей совокупности сигналов именно тот, на который резонансный контур настроен. Однако в современных условиях при массе работающих станций и при погоне приемщика за дальними станциями, дающими слабое электрическое поле, применение простого резонансного контура оказывается уже недостаточным средством и приемный аппарат становится все более и более сложным устройством. С другой стороны, и требования по отношению к точному воспроизведению сигнала становятся все более и более высокими. Очень часто успех, достигнутый в одном отношении, парализуется неуспехом в другом. Так, например, удается получить хорошее усиление, причем искажение настолько возрастает, что делает это усиление бесцельным; или наоборот, — удается достигнуть хорошей чистоты приема при одновременном увеличении всевозможных помех.
Задача приема во всей своей совокупности является очень сложной. Даже в профессиональных устройствах, которые не ограничиваются жесткими требованиями дешевизны или простоты, далеко не всегда удается преодолеть ту совокупность затруднений, которые создаются современными условиями в эфире. Кроме того, далеко не все обстоятельства, сопровождающие работу приемника, нам настолько ясны, чтобы в настоящее время можно было бы уже дать совершенно точный и безусловно надежный рецепт, как следует рассчитывать силу сигналов и какие методы передачи и приема являются наилучшими.
Самым темным вопросом можно считать вопрос об избавлении от помех и, в особенности, от грозовых «шорохов». Работа многих исследователей направлена в настоящее время к уяснению и разрешению этих вопросов. Тем не менее, некоторые положения уже и сейчас настолько ясны и бесспорны и применение их настолько существенно может улучшить прием, что они могут и должны войти в обиход радиолюбителя, желающего грамотно построить свой приемник.
Мы уверены, что каждый из читателей, который даст себе труд вникнуть в приводимые ниже рассуждения, не пугаясь некоторой их отвлеченности, получит путеводную нить, которая поможет ему во многих отношениях понять и улучшить работу своего приемника.
Прежде всего, о самом сигнале. Сигнал может иметь разнообразный характер и вообще один сигнал от другого может отличаться той или иной сложностью.
Как мы увидим ниже, никакой сигнал не может быть принят без искажения, если в деле участвует резонансный контур. Чем сложнее сигнал, тем более неизбежны и более значительны эти искажения при прочих равных условиях.
Самым простым сигналом можно считать непрерывно длящийся сигнал, передаваемый незатухающими колебаниями (рис. 1). Если контур приемника вовсе лишен затухания и настроен точнейшим образом на ту же длину волны, что и подаваемый сигнал, то колебательный ток в контуре приемника будет непрерывно нарастать с течением времени. Конечно, физически осуществить контур, совершенно лишенный затухания, при всяких амплитудах и при этом точно настроить его на ту же длину волны нельзя, но важно обратить внимание на то, что при этом допущении даже такой простой сигнал уже будет совершенно искажен. Именно: вместо непрерывного сигнала одной и той же силы мы получим в приемнике сигнал, сила которого непрерывно возрастает с течением времени (рис. 2).
Если контур имеет некоторое затухание, то по мере нарастания в нем колебаний им будет потребляться все большее количество энергии. Колебания будут практически развиваться до тех пор, пока количество энергии, получаемой им от электрического поля, не будет все итти на покрытие расходуемой в нем энергии. Таким образом, через некоторый промежуток времени в контуре установится «постоянный режим», и после этого сигнал уже не будет искажен, так как амплитуда в приемнике станет постоянной (рис. 3). Чем больше затухание контура, чем быстрее разовьется и закончится процесс его раскачивания, тем меньше будет тот отрезок времени, в течение которого сигнал искажался.
И естественно, что при оценке степени искажения придется принять во внимание соотношение между тем отрезком времени, когда контур раскачивался и когда часть сигнала, следовательно, была искажена, и тем отрезком времени, когда контур вошел в постоянный режим и сигнал перестал искажаться. При прекращении такого простого сигнала наступает второе искажение. Ясно, что в случае контура, в котором нет затухания, колебания, в нем возбужденные, останутся и после прекращения сигнала, и, следовательно, хотя факт прекращения и будет отмечен прекращением нарастания токов в приемном контуре, но по существу сигнал на приеме будет продолжаться, в то время как в действительности он прекратился. При наличии затухания амплитуды в контуре начнут спадать вслед за прекращением сигнала, и тот отрезок времени, в течение которого они будут спадать до «практического нуля», будет опять-таки характерным для оценки искажения.
Сказанное можно резюмировать следующим образом: чем больше затухание приемного контура и чем большим числом периодов передан сигнал, тем меньше искажение. Отсюда в частности следует, что при равной длительности по времени искажение будет меньше при более коротких волнах при том же затухании приемного контура, так как передатчик создаст большее число колебаний за тот же промежуток времени.
Разберем теперь, как будет принят простой сигнал, если контур не настроен точно на приходящую волну. Прежде всего заметим, что теперь всякий контур будет представлять для нашей волны не только омическое, но также и индуктивное или емкостное сопротивление.
Известно, что для волны, настроенной точно в резонанс, емкостное сопротивление компенсируется индукционным. Для волны более длинной будет преобладать емкостное сопротивление, а для волны более короткой — индукционное. Следовательно, ток в контуре не сможет уже нарастать безгранично.
Если мы проследим процесс более детально, то выясним следующее важное обстоятельство: если расхождение между настройками передатчика и приемника невелико, то в течение некоторого времени приемный контур будет раскачиваться приходящей волной почти так же, как если бы имел место резонанс, но дальше начнется расхождение, которое все больше и больше будет увеличиваться с течением времени. С некоторого момента приходящая волна перестанет увеличивать амплитуду контура, а в дальнейшем начнет ее уменьшать, так как она будет приходить не в «такт», а против «такта». (Аналогичное явление можно наблюдать, когда ход у находящихся рядом двух часов несколько разнится один от другого; маятники их то идут одновременно в одну и ту же сторону, то начнут расходиться и через некоторое время — идут в противоположные стороны.) В этом случае в приемнике получатся биения, изображенные на рис. 4. Если приемник имеет хотя бы маленькое затухание, то с течением времени эти биения прекратятся, и установится некоторый «постоянный режим», причем благодаря наличию индуктивного или емкостного сопротивления ток в приемнике будет меньше, чем в случае резонанса.
Ясно, однако, что в последних двух случаях сигнал претерпел искажение, выразившееся в появлении в приемнике биений, которые отсутствовали у передатчика. Если затухание увеличить, то картина биений станет совсем слабо выраженной и процесс приблизится к тому случаю, когда имел место полный резонанс, с той лишь разницей, что амплитуда колебаний в приемном контуре будет меньше благодаря наличию индуктивного или емкостного сопротивления. При увеличении расстройки биения будут происходить чаще и поэтому большее число биений получится за время, в течение которого режим устанавливается.
Резюмируя этот случай, можно сказать, что в случае расстройки искажение может иметь место либо в начале сигнала, либо в течение всего сигнала (если он достаточно короток). Легко видеть, что это искажение будет относительно тем больше, чем короче сигнал, чем меньше затухание контура и чем больше расстройка. Искажение после прекращения сигнала выразится так же, как и в случае резонанса, так как колебания будут продолжаться еще некоторое время, постепенно затухая, в то время как работа передатчика уже прекратилась.
Практически искажение простого сигнала не всегда может быть существенным. Например, при телеграфной работе не представляется обязательно необходимым точно воспроизвести сигнал, а нужно лишь ясно разделить его на длинные и короткие посылки и промежутки между ними. Тем не менее, малое затухание контура может явиться препятствием и для выполнения этой цели, так как при малом затухании контура колебания, вызванные в нем сигналами, затухают медленно и будут набегать один на другой.
Перейдем теперь к сигналам более сложным.
Кривая, которая показывает зависимость средне-квадратического тока в приемнике при различных волнах передатчика и которой мы будем пользоваться, называется кривой резонанса (рис. 5) и хорошо известна нашим читателям. Надо не забывать только того, что она не выражает собой всех деталей процесса, разобранного выше, а дает лишь суммарный эффект.
Положим, что передатчик излучает одновременно две волны, равные амплитуды которых и дают биения (рис. 4). Каждую из составляющих этот сигнал волн можно рассматривать порознь и к ней будет относиться все то, что было сказано раньше относительно простого сигнала. Другими словами, в данном случае мы будем иметь дело с двумя простыми сигналами, действующими одновременно на приемный контур. Характер искажений остается тот же самый, но значение их для нас может существенно измениться, если мы имеем в виду не телеграфную работу, а некоторый звук, который, приблизительно, выражается огибающей кривой Аа (рис. 4). Ясно, что в этом случае биения, которые могут иметь место между приходящими волнами и колебаниями, возбужденными в контуре, создадут некоторые новые звуковые тона, нам не нужные и дающие существенное искажение сигнала. Кроме того, в зависимости от настройки контура, может случиться, что та либо другая волна оказалась ближе к резонансу. В этом случае одна из волн будет иметь большую, а другая — меньшую амплитуду. Чем больше расхождение в амплитудах между одновременно действующими волнами, тем сильнее получится искажение. Ясно, что оно может быть уменьшено путем укорочения волны или увеличения затухания контура, так как при этих условиях разница в частоте между двумя сигналами не вызовет большой разницы в их амплитудах.
Разберем еще один случай. Положим теперь, что мы хотим передать музыкальный сигнал, заключающийся в том, что тон биений, допустим в 50 периодов, постепенно повышается до 1 000 периодов.
Положим, что для осуществления этого мы берем сначала два источника колебания: 299 975 и 300 025 периодов в секунду (биения между ними дадут 50 периодов в секунду). Дальше мы постепенно перестраиваем эти источники, доводя в первом из них частоту до 299 500, а в другом до 300 500 периодов в секунду (теперь биения между ними 1 000 периодов в секунду). Посмотрим, как скажется это обстоятельство в контуре приемника, настроенного на среднюю, между обоими действующими источниками, волну в 1 000 метров, соответствующую 300 000 колебаний. Для приема первого сигнала контур может обладать довольно малым затуханием и тем не менее не дать заметного искажения, так как периоды биений достаточно медленны. Во всяком случае, в контуре появится некоторый ток, а в телефоне — некоторый звук, соответствующий 50 периодам. При постепенном расхождении волн передатчика сила тока в контуре будет, во всяком случае, ослабевать и притом тем значительнее, чем круче спадает кривая резонанса (т. е. чем меньше затухание контура).
Таким образом, весь музыкальный сигнал может оказаться существенно искаженным в том отношении, что более высокие тона пройдут слабее, чем тона более низкие. Если бы сигнал состоял из нескольких посылок, в которые входили бы и высокие и низкие звуковые тона, то при малом декременте высокие тона могли бы быть искажены еще в начале сигнала теми дополнительными биениями, которые возникли бы между приходящими волнами и колебаниями в контуре.
Более сложные сигналы всегда могут быть представлены, как это показывает теория, как совокупность известного числа волн, действующих одновременно и имеющих разную длину и разные амплитуды. Это не значит, что в действительности все эти волны были созданы как-нибудь самостоятельно и затем соединены вместе, чтобы создать данный сигнал. Это обозначает лишь то, что любая сложная периодическая кривая может быть искусственно получена путем суммирования простых синусоид с соответствующими амплитудами и периодами. Во всяком случае, это всегда дает нам право разлагать приходящие сигналы на их воображаемые составляющие, так же как в механике — разлагать действующую силу на ее составляющие для удобства рассмотрения и для уяснения того, как она действует в различных направлениях. При радиотелефонной передаче мы должны иметь в виду, таким образом, всегда некоторую совокупность волн, причем те волны, которые обусловливают высокие звуковые тона, отличаются друг от друга больше, чем те, которые создают низкие тона. Это означает, что приемный контур должен обеспечить неискаженный прием волн, отличающихся от средней волны (на которую он настроен) на частоту высокого музыкального тона, например на 3 000 периодов в обе стороны и причем без значительного их ослабления.
Таким образом, очевидно, что требования селективности и требования неискаженного приема, в известной мере, противоположны друг другу, и простой колебательный контур не может рассматриваться как достаточно совершенное средство для приема, хотя бы затухание в нем и было искусственно уменьшено, например при помощи регенерации.
Всякая помеха, действующая на приемник как самостоятельное колебание, может также рассматриваться, как некоторая совокупность простых синусоид. Это в одинаковой степени относится и к телефонным станциям, и к грозовым шорохам, и к телеграфным станциям. В частности, в отношении последних следует обратить внимание на то, что как бы ни была хорошо стабилизирована телеграфная станция, она по самой сути дела излучает не одну волну, а много волн, так как работа ключом есть та же самая модуляция, и с этой точки зрения телеграфный сигнал принципиально ничем не отличается от телефонного сигнала. Чем быстрее работает передающий телеграфный аппарат, чем короче у него точки, чем резче нарастает и падает ток в антенне при нажатии ключа, — тем больше разница между теми частотами, которыми этот сигнал может быть представлен, и тем более высоким тонам соответствует его работа. Сам телеграфный сигнал может быть изображен в виде некоторой кривой, которая может быть разложена на совокупность различных низких частот, а передача всего сигнала может быть отождествлена с одновременной передачей целого ряда низких частот, дающих такие же «боковые» волны, как и телефонная передача.
В этом смысле особенно неблагоприятной помехой являются станции, передающие изображения, так как тон, которым они работают, очень высок (частота сигналов очень велика) и расхождение боковых волн очень значительно. Это, между прочим, одна из причин, почему следует передавать изображения не на длинных, а на коротких волнах.
Вопрос о том, в какой мере приемник искажает помеху, не представляет собой особого интереса, — важно уничтожить помеху. Очевидно, что помеха не может быть полностью уничтожена в том случае, если составляющие ее частоты проникают в ту полосу частот, которые необходимы для неискаженного приема нужной станции. Однако, в большинстве случаев приемник воспринимает целый ряд помех, далеко выходящих из пределов необходимых частот, вследствие того, что чувствительность приемника не ограничена резко только необходимой областью.
Что касается до грозовых шорохов, то даваемая ими помеха теоретически ничем не отличается от всякой другой помехи и может быть уменьшена только увеличением селективности и никакими иными методами, если применяется ненаправленная антенна.
Однако следует указать, что природа грозовых помех до сих пор еще мало исследована. В частности совершенно не исследовано воздействие грозовых разрядов на электрическую волну во время прохождения ее от передающей станции до приемной. Возможно, что на этом пути волна испытывает своеобразную модуляцию, обусловленную резким изменением проводимости больших объемов пространства под влиянием разрядов.
Во всяком случае обычные разряды могут быть также представлены в виде совокупности отдельных волн. Раз эти волны лежат в пределах частот, которые должны быть обязательно пропущены приемником для неискаженной передачи, то очевидно, что они должны быть приняты приемным контуром наравне с сигналом.
Таким образом, приемник не может обладать одним фильтрующим контуром, который всегда дает кривую резонанса с нерезко ограниченными краями (рис. 5), а должен обладать некоторой совокупностью этих контуров, настроенных на различные частоты, с тем, чтобы общая кривая резонанса по возможности ближе подходила к «столообразной» форме, указанной на рис. 6. Точка О соответствует частоте несущей волны; точки А и В — крайним боковым частям. Практически желаемое изменение кривой достигается применением многих контуров, настроенных на различные волны в пределах требуемой полосы пропускания.
Легкость осуществления такой системы значительно большая в случае супергетеродина при условии осуществления почти всей фильтраци в усилителе промежуточных частот. В нейтродине (который обладает значительными преимуществами против супергетеродина в других отношениях) осуществление нужного расхождения волн для всех настроек затруднительно и не осуществимо без дополнительных конденсаторов.
Из сказанного вытекает также, что предпочтительнее брать возможно большее число контуров с достаточно большим затуханием каждый. Существенным подспорьем, помогающим освободиться от помех, является применение направленного приема, который ослабляет как помехи от станций, так иногда и помехи от грозовых шорохов, так как часть последних приходит к нам из определенных, резко выраженных очагов.
Надо заметить, что все эти рассуждения справедливы только до тех пор, пока мы рассматривали простые колебательные контуры, в которых имеют место обычные кривые резонанса.
Существенные изменения вносят в работу приемника различные побочные обстоятельства, о которых мы поговорим в одном из следующих номеров нашего журнала и которые обусловливаются, в частности, свойствами электронных ламп. Контур, питающий лампу, испытывает различную нагрузку и различным образом регенерируется лампой, в зависимости от амплитуды. Это приводит и к искажению формы кривой резонанса и к изменению селективности приемного контура. Весьма вероятно, что в более совершенном приемнике вопрос усиления и вопрос селективности должны быть отделены один от другого.