"Радио Всем", №22, ноябрь, 1929 год, стр. 650-651

С.

Об искажениях при радиоприеме.

Путь от студии какого-нибудь передатчика до телефона на ушах радиолюбителя или до репродуктора, стоящего у него на столе, состоит из большого числа звеньев. Сюда входят: микрофонное и усилительное устройства студии, мощное усиление, модуляция, излучение, распространение, прием усилением на высокой частоте, детектирование, усиление на низкой частоте и, наконец, репродуктор. Совершенно очевидно, что при таком большом количестве элементов мы не можем получить совершенно неискаженного воспроизведения. Не считая того, что распространение, путь от антенны передатчика до антенны приемника, никак не поддается нашему контролю, все аппараты на передающей и приемной станциях хоть немного, но все же искажают. Поэтому в конечном результате может получиться значительное искажение. В то же время понятно, что чем меньше будет искажать каждое звено, тем меньше будет искажений вообще и тем чище будет прием.

Что же такое искажения и как их разделяют? Иначе говоря: все ли искажения одинаковы?

На первый взгляд кажется, что делить как-то искажения не имеет смысла. Не все ли равно, отчего хрипит телефон или репродуктор? Однако на самом деле все искажения полезно разделить на две большие группы, — частотные и амплитудные. Это удобно сделать, так как меры борьбы с тем и другим видом искажений совершенно различны. Впрочем, в действительности очень редко приходится иметь дело с тем или другим родом искажения в чистом виде. Обычно мы имеем искажения и те и другие, и бороться с ними приходится одновременно.

По какому же признаку разделяют искажения? Вспомним, что каждый звук можно изобразить в виде кривой. Точно так же в виде подобной же кривой можно изобразить и ток, в который преобразуется звук при помощи микрофона.

Всякая кривая звука представляет собой какую-то периодическую кривую. В дальнейшем мы будем предполагать, что у нас имеется чистая синусоида. Это сильно упростит наши рассуждения. В то же время все выводы, которые мы получим, можно будет приложить, несколько изменив их, к истинным кривым звука.

Амплитудные искажения получаются при наличии неодинакового усиления различных амплитуд, причем частота кривой роли не играет, эти искажения в первую очередь зависят от нелинейности (непрямолинейности) ламповых характеристик. В настоящей статье мы будем рассматривать исключительно такие амплитудные искажения.

Рис. 1.

Что значит, что у нас неодинаково усиливаются различные амплитуды? Выяснить это удобнее всего на примере. Предположим, что мы хотим измерить коэффициент усиления одного каскада (рис. 1). Подавая переменное напряжение какой-нибудь частоты на сетку лампы, мы будем мерить переменное напряжение на включенном в анод сопротивлении. Отношение

eR

eg

и даст нам коэффициент усиления схемы. Изменяя величину переменного сеточного напряжения, мы можем построить кривую коэффициента усиления в зависимости от подводимого напряжения (рис. 2). Эта кривая показывает нам, что коэффициент усиления для больших амплитуд уменьшается.

Рис. 2.

Приводимая таблица I дает один конкретный случай в качестве примера того, как изменяется коэффициент усиления в зависимости от амплитуд.

Таблица I.
Микро, R = 10 000 Ω. Сеточными токами пренебрегаем.

eg	0	4	8	12	16	20	24
eR  eg	2,5	2,5	2,5	2,4	2,25	2,05	1,75

Что происходит с синусоидой при искажениях? Если мы возьмем ламповую характеристику ab (рис. 3) и построим кривые анодного тока для различных сеточных напряжений, то мы увидим, что чем больше будет подводимое напряжение, тем более искажена будет кривая анодного тока, тем меньше будет у нее сходства с кривой сеточного напряжения.

Рис. 3.

Следствием амплитудных искажений является изменение тембра звука, которое часто бывает настолько сильным, что делает передачу совершенно неудовлетворительной. Эти искажения вызываются появлением гармоник, которые тем больше усиливаются, чем сильнее искажена форма кривой по сравнению с обычной синусоидой.

Рис. 4.

Для уяснения этого обстоятельства попробуем разложить на гармоники получившуюся кривую тока. Если мы сложим какую-нибудь синусоиду с ее третьей гармоникой в разных фазах (рис. 4), то мы увидим, что кривая а походит на получившуюся у нас кривую анодного тока при больших амплитудах (рис. 3). Правда, сходство это не слишком велико, но дальнейшее приближение может быть получено за счет наложения высших гармоник (5, 7, 9 и т. д.). Если мы разложим нашу кривую в действительности, то мы увидим, что результаты разложения вполне подтверждают наши предположения (таблица II). Мы видим, что главную роль у нас играет третья гармоника и что высшие гармоники выявлены значительно меньше.

Таблица II.
Микро, работа на середине характеристики, сеточными токами пренебрегаем. e_g = 16 V.

№ гармоники	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Относит. величина в %% от первой	100	0	17	0	2	0	0,8	0	0,4	0

Мы разобрали случай работы на середине характеристики. Возможна также работа на нижнем загибе характеристики. На практике этот случай встречается очень часто и поэтому имеет большой практический интерес.

При работе на нижнем загибе у нас искажается только нижняя часть кривой анодного тока. Действительно, построив кривую анодного тока (рис. 5), мы видим, что у нас срезаются нижние части кривой. Форма кривой будет опять-таки искажена, однако в этом случае главную роль будет играть уже вторая гармоника. В самом деле, построив сумму синусоиды с ее второй гармоникой (рис. 6), мы увидим, что кривая случая б сходна по форме с нашей кривой анодного тока (рис. 5) при больших амплитудах сеточного напряжения. Дальнейшее приближение опять-таки может быть достигнуто путем наложения высших гармоник (3, 4, 5 и т. д.). Произведенное разложение (таблица III) показывает правильность наших утверждений.

Таблица III.
Микро, работа на нижнем загибе характеристики. i₀ = 1,15 mA, e_g = 8 V. Сеточными токами пренебрегаем.

№ гармоники	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Относит. величина в %% от первой	100	26	3	2	1	0,7	0,5	0,3	0,25	0,2

Таким образом можно сказать, что при работе на одном из загибов характеристики у нас выделяется особенно сильно вторая гармоника; при работе на середине характеристики, но большими амплитудами, мы получим ярко выраженную третью гармонику. В том и в другом случае у нас будут сильные искажения передачи.

Рис. 5.

До сих пор мы говорили о прохождении по нелинейным характеристикам исключительно синусоиды. В действительности с простыми синусоидами дело приходится иметь очень редко. Реальные звуки имеют обычно очень сложную форму (рис. 7). При этом вся разобранная нами картина усложняется, но принципиально все происходит так же, как и в случае синусоидальных колебаний, так как любое сложное колебание можно разложить на определенное число гармонических синусоидальных колебаний.

Разложение кривых на гармоники дает такой способ определения искажений. Именно, разложив кривую тока на гармоники до прохождения через какой-нибудь прибор и после прохождения через него, мы можем сравнить относительную величину гармоники. Если в процентном отношении величина их не изменилась, то мы можем констатировать отсутствие искажений. Если же у нас изменилась относительная величина гармоник или появились новые гармоники, то мы будем иметь искаженную передачу. При этом способе определения, искажения разделяются на две группы — искажения 1 рода, когда у нас изменяется лишь соотношение между величинами гармоник, и искажения 2 рода, когда появляются новые гармоники. С этой точки зрения все частотные искажения являются искажениями 1 рода, а все амплитудные искажения относятся ко второму роду.

Рис. 6.

Из всего сказанного выше можно вывести следующее заключение: так как искажения (амплитудные) получаются при работе ламп на нелинейных участках их характеристик, то для того, чтобы избежать этих искажений, необходимо работать исключительно на прямолинейных участках характеристик. В действительности нам сильно помогает то обстоятельство, что благодаря включенной в анод нагрузке, в виде ли сопротивления, или в виде трансформатора, лампа всегда работает на некоторой более пологой динамической характеристике. Последняя же, как известно, обладает прямолинейной частью, захватывающей больший участок сеточных напряжений. Сверх того и загибы у нее выражены значительно слабее.

Рис. 7.

Как меру для выпрямления характеристик можно также посоветовать старое и испытанное средство — повышение анодного напряжения и одновременно отрицательный потенциал на сетку ¹.

Вторая мера — включение ламп по пуш-пуллной схеме. Математический анализ показывает, что в этом случае искажения, обусловленные четными гармониками, пропадают. Искажения же от нечетных гармоник остаются. Используя обе лампы на нижнем загибе характеристики, мы можем значительно увеличить мощность, не увеличивая искажений, обусловленных нечетными гармониками.

Радикальное средство — замена одних ламп другими, имеющими более длинную прямолинейную часть характеристики, к сожалению почти невозможна ввиду крайней редкости на рынке подходящих типов. Однако этот путь надо все-таки признать самым правильным. Будем надеяться, что в недалеком будущем полумощные лампы для оконечного усиления все-таки появятся на рынке и не будут стоить слишком дорого.