Преимущества вещания на УКВ с частотной модуляцией
Радио, 1953, №6
Исторический XIX съезд Коммунистической партии Советского Союза в директивах к пятому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР указал на необходимость развернуть работы по внедрению ультракоротковолнового радиовещания и радиорелейной связи.
Решение этой задачи обеспечит местное многопрограммное высококачественное вещание, практически свободное от радиопомех.
Как известно, в диапазоне УКВ атмосферные помехи совсем не сказываются на качестве радиоприёма, а влияние промышленных помех значительно слабее, чем на длинных и средних волнах. В диапазоне УКВ может одновременно работать большое число радиовещательных станций с широкой полосой воспроизводимых частот. Следовательно, целесообразность использования УКВ для местного вещания очевидна. Однако до последнего времени было не ясно, следует ли для вещания на волнах этого диапазона применять частотную модуляцию, учитывая, что ЧМ приёмники будут несколько сложнее и дороже, чем AM приёмники.
Рассмотрим, какие факторы определяют помехоустойчивость радиоприёма при амплитудной и частотной модуляции.
Известно, что при одной и той же модулирующей частоте необходимая полоса частот при ЧМ получается значительно шире, чем при AM. При ЧМ её ширина должна быть несколько больше удвоенной величины отклонения частоты Для передатчиков звукового сопровождения телевидения величина отклонения частоты выбрана +-75 кГц, что даёт ширину спектра частот при ЧМ около 150 кГц.
Рис. 1. Спектры амплитудно-модулированных (AM) и частотно-модулированных (ЧМ) колебаний при высшей модулирующей частоте 15 кГц
Таким образом, если для воспроизведения всех модулирующих частот до 15 кГц (что соответствует высшему классу радиовещания) необходимо при AM передать полосу 30 кГц, то при ЧМ передаваемая полоса частот должна быть не менее 150 кГц (рис. 1).
Чтобы установить связь ширины полосы пропускания AM и ЧМ приёмников с их помехоустойчивостью, рассмотрим воздействие помех на эти приёмники.
Допустим, что на входы приёмников обоих типов поступают два синусоидальных напряжения (рис. 2): полезный сигнал с амплитудой А и частотой fс и мешающий с амплитудой а и частотой fn, причём А>а и обе эти частоты находятся в полосе пропускания приёмников Полученное в результате сложения этих сигналов колебание будет изменяться по частоте и по амплитуде. При этом глубина амплитудной модуляции сигнала помехой
М = а/А
а максимальное изменение частоты сигнала от воздействия помехи
δf = a/A *(fc - fn),
при условии, что А>а и fc близка к fn.
Следовательно, если глубина амплитудной модуляции сигнала помехой зависит только от отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала, то величина частотного отклонения сигнала от воздействия помехи зависит как от этого отношения, так и от разности частот fc и fn, т. е. помеха тем сильнее модулирует сигнал по частоте, чем дальше отстоит её частота от частоты сигнала.
При приёме помехи и сигнала на обычный AM приёмник мы получим биения, тон которых равен разности частот помехи и сигнала, а амплитуда биений определяется соотношением амплитуд этих колебаний. Если частота биений пропускается низкочастотным трактом приёмника, то избавиться от такой помехи невозможно.
Когда же в полосу пропускания приёмника попадут несколько таких помех, то каждая из них будет создавать биения с несущей сигнала. Следовательно, расширение полосы пропускания в AM приёмнике приведёт лишь к увеличению интенсивности помех.
Рис. 2. Сложение двух синусоидальных колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и амплитуде.
Теперь рассмотрим случай, когда мешающий сигнал попадает в полосу пропускания ЧМ приёмника. Уровень сигнала на его выходе будет тем больше, чем больше отклонение частоты Δf при модуляции ЧМ передатчика. Поэтому в случае приёма на такой приёмник полезного сигнала при одновременном воздействии помехи интенсивность последней на выходе приёмника будет тем больше, чем больше δf.
Отношение δf/Δ, определяющее отношение амплитуды помехи к амплитуде сигнала на выходе ЧМ приёмника, будет равно:
δf / Δf = (a/A)*(fc - fn)/Δf
Рис. 3. К пояснению действия ограничителя
Когда разность между частотами сигнала и помехи меньше половины ширины полосы пропускания (fc - fn < Δf), это отношение меньше, чем a/A. Поэтому, если максимальное отклонение частоты при частотной модуляции значительно больше разности между частотами сигнала и помехи, то действие помех на ЧМ приёмник можно резко ослабить по сравнению с действием их на приёмник AM.
Почему это так получается, видно из рассмотрения работы ЧМ приёмника. Высокочастотная часть этого приёмника пропускает всю полосу спектра ЧМ колебаний. Ограничитель уничтожает все амплитудные изменения сигнала, в том числе и те, которые получаются в результате биений несущих сигнала и помех. На выходе ограничителя получаются колебания, модулированные только по частоте (рис. 3). Эти колебания поступают на частотный детектор, который выполняет две функции: преобразует частотно-модулированные колебания в амплитудно-модулированные и детектирует последние.
Чтобы любые изменения частоты сигнала вызывали пропорциональные изменения амплитуды на выходе частотного детектора, его частотная характеристика должна иметь прямолинейный наклонный участок (рис. 4).
Пусть полоса пропускания высокочастотного тракта ЧМ приёмника (равна 150 кГц (это минимально необходимая ширина полосы для случая, когда передатчик работает с максимальным отклонением частоты +-75 кГц), ширина полосы AM приёмника 30 кГц, а наивысшая частота, пропускаемая трактами низкой частоты обоих приёмников,- 15 кГц. Влияние помех на эти приёмники можно уяснить из графиков, приведённых на рис. 5. Здесь по вертикальной оси отложены амплитуды напряжения на выходах приёмников, а по горизонтальной — разность между несущей частотой полезного и частотой мешающего сигнала (fc - fn).
Как мы уже говорили, любая частота помехи, находящаяся в пределах полосы пропускания AM приёмника, создаёт биения с несущей сигнала, причём амплитуда биений не зависит от их частоты. Следовательно, амплитуда помехи на выходе AM приёмника при любой частоте равна отрезку OA. При большем количестве несущих помех суммарный эффект от их воздействия на полезный сигнал характеризуется площадью прямоугольника ОАВЕ.
Иная картина имеет место в ЧМ приёмнике. Большую амплитуду напряжения на выходе создаст помеха, несущая которой расположена дальше от несущей сигнала. Следовательно, помеха на выходе приёмника будет наибольшей, если её частота отстоит от несущей сигнала на 75 кГц; чем ближе частота помехи к частоте сигнала, тем слабее будет помеха на выходе. Например, если частота помехи отстоит от частоты сигнала на 15 кГц, то амплитуда помехи на выходе частотного детектора равна отрезку ЛЕ, тогда как при тех же условиях на выходе AM приёмника амплитуда помехи значительно больше (отрезок BE).
Мешающие сигналы, отстоящие от несущей более чем на 15 кГц, совсем не влияют на качество приёма, так как они находятся за пределами полосы пропускания приёмников по низкой частоте. Помехи, отстоящие от несущей менее чем на 15 кГц, окажут очень малое действие на ЧМ Приёмник, так как их амплитуды находятся в пределах треугольника ОЛЕ, тогда как в AM приёмнике их действие не будет зависеть от частоты и определятся площадью прямоугольника ОАВЕ.
Таким образом, при ЧМ выигрыш по помехоустойчивости получается тем больше, чем больше отношение максимального отклонения частоты к наивысшей модулирующей частоте (индекс модуляции m = Δf/F). В нашем примере Δf = 75 кГц, F = 15 кГц и m = 5. Можно подсчитать, что при m = 5 уровень флюктуационных помех на выходе ЧМ приёмника в 8,7 раза меньше, чем на выходе AM приёмника.
Рис. 4. Частотная характеристика частотного детектора
Для импульсных помех, которые наиболее характерны для большого города, при тех же данных выигрыш получается не менее чем в десять раз. Следовательно, применение ЧМ позволяет получить такое увеличение отношения уровня сигнала к уровню помех на выходе приёмника, которое при AM потребовало бы увеличения мощности передатчика в сто или более раз.
Однако все эти выводы верны при условии, что уровень помех мал по сравнению с уровнем несущей полезного сигнала. Когда же уровень помех приближается к уровню полезного сигнала, выигрыш от применения ЧМ уменьшается и при отношении сигнал/помех = 1 на входе приёмника выигрыша вообще не получается.
Так как в большом городе уровень импульсных помех велик, то может показаться, что преимущества ЧМ в этих условиях трудно реализовать и что УКВ AM приёмники, содержащие простейшие устройства, подавляющие импульсные помехи, смогут успешно конкурировать с ЧМ приёмниками.
Исследования подтвердили следующее:
- Даже при отношении сигнал/помеха = 1 помехоустойчивость ЧМ приёмника несколько выше, чем AM приёмника.
- При отношении сигнал/помеха > 1 ЧМ приёмник обладает значительными преимуществами по помехоустойчивости перед AM приёмником.
- Применение простого ограничителя импульсных помех в AM приёмнике позволяет повысить его помехоустойчивость лишь при уровне помех, превышающем уровень сигнала более чем вдвое. Однако этот случай не представляет интереса для высококачественного радиовещания.
Применение в AM приёмниках более сложных ограничителей помех нецелесообразно, так как последние удорожают приёмники. Кроме того, такие приёмники не обеспечивают высокого качества приёма радиовещания.
Преимущества ЧМ приёмников перед AM приёмниками по помехоустойчивости иллюстрируются приводимым нами графиком, показывающим зависимость между отношением сигнал/помеха на выходе AM и ЧМ приёмников и отношением сигнал/помеха на их входах (рис. 6).
Из этого графика видно, что если уровень сигнала на входе превышает в два раза уровень флюктуационных помех или в четыре раза уровень импульсных помех, то качество приёма на ЧМ приёмник резко возрастает и помехи вовсе перестают быть слышными; в то же время не только при таких, но и при больших отношениях сигнал/помеха на входе AM приёмника помехи на его выходе ещё значительны.
Полный выигрыш, который теоретически можно получить при использовании ЧМ с большим индексом модуляции, для флюктуационных помех равен 30, а для импульсных — 23.
Сравнение стоимости макетов AM и ЧМ приёмников одного класса показало, что можно создать ЧМ приёмник, обладающий высокой помехоустойчивостью при незначительном увеличении стоимости по сравнению с приёмником AM.
Хотя целесообразность внедрения ЧМ определяется прежде всего стоимостью приёмной сети, однако для окончательного суждения о преимуществах радиовещания с ЧМ необходимо дать также сравнительную оценку передатчикам с различными видами модуляции.
Рис. 5. Зависимость между амплитудой выходного напряжения и разностью частот сигнала и помехи в AM и ЧМ приёмнике.
Рис. 6. Зависимость отношения сигнал/помеха на выходе от отношения этих же величин на входах ЧМ и AM приёмников
Большим преимуществом ЧМ передатчиков по сравнению с AM передатчиками является лучшее использование номинальной мощности ламп. Это особенно важно в диапазоне УКВ, где трудно получить амплитудную модуляцию с большим КПД. Возникают также затруднения при изготовлении мощных модуляционных трансформаторов для частот от 30 до 15000 Гц, необходимых для высококачественного воспроизведения в диапазоне УКВ.
Так как ЧМ передатчик работает в режиме максимальной мощности по несущей (аналогично работе передатчика в телеграфном режиме), то мощность его выходной ступени лимитируется в основном эмиссией ламп Поэтому при переходе от AM к ЧМ мощность несущей можно повысить в четыре раза при условии, что источник анодного питания рассчитан на длительную работу в телеграфном режиме.
Следовательно, при одной и той же излучаемой мощности схема и конструкция ЧМ передатчика получаются значительно проще, эксплуатация дешевле (почти в три раза) по сравнению с AM передатчиком.
Был проведён целый ряд испытаний по сравнению качества приёма радиовещательных УКВ радиостанций о амплитудной и частотной модуляцией на различных расстояниях от этих станций в условиях большого города при различных уровнях помех.
AM и ЧМ передатчики имели одинаковую мощность в режиме несущей частоты и модулировались одной программой. Приём вёлся на УКВ AM и ЧМ приёмники 2-го и 3-го классов, имеющие примерно равные полосы пропускания по низкой частоте и чувствительность одного порядка.
Кроме измерений напряжённости поля полезного сигнала и помех, а также отношений сигнал/помеха на выходе, производилась также субъективная оценка качества приёма.
Испытания подтвердили, что в диапазоне УКВ основными являются помехи, создаваемые системами зажигания автомашин и мотоциклов, а также телеграфными аппаратами. Легковые автомашины, как правило, создают более слабые помехи, чем грузовые, а мотоциклы — более сильные. Троллейбусы и трамваи практически радиоприёму на УКВ не мешали.
Во всех точках испытаний качество приёма, обеспечиваемое ЧМ системой, было выше качества приёма AM. При приёме ЧМ радиостанций помехи практически не ощущались.
В то же время приём УКВ станций с AM фактически нигде не был отличного качества; лишь в некоторых точках его можно было оценить как хороший.
На выходе ЧМ приёмников отношение сигнал/помеха в большей части районов города превышало 50, тогда как при той же напряжённости поля это отношение на выходе AM приёмников в большинстве случаев было не выше 5-6.
Рис. 7. Зависимость качеств радиоприёма от расстояния между передатчиком и пунктом приёма.
На графиках рис. 7 приведены данные субъективной оценки качества приёма на AM и ЧМ приёмники при различных расстояниях от них до передатчиков. Из этих графиков видно, что при одинаковых мощностях передатчиков в режиме несущей радиус территории, обслуживаемой ЧМ системой, в три раза больше по сравнению с AM, если считать необходимым обеспечение качества приёма не ниже хорошего.
При испытаниях было также установлено, что при использовании в ЧМ приёмнике хорошо отрегулированного дробного детектора сохраняются очень хорошая помехоустойчивость и малый коэффициент гармоник как при уходе частоты гетеродина вследствие изменения питающих напряжений, так и при недостаточно точной настройке.
Из изложенного можно сделать следующие выводы:
- Система радиовещания на УКВ с частотной модуляцией по сравнению с системой с амплитудной модуляцией обладает более высокой помехоустойчивостью и позволяет обеспечить отличное или хорошее качество местного вещания. Даже самые дешёвые ЧМ приёмники (например, четырёхламповые) по этим показателям лучше, чем AM приёмники 2-го и 3-го классов с амплитудными ограничителями помех.
- Имеется реальная возможность создать дешёвые трёх - четырёхламповые ЧМ приёмники, обладающие высокими качественными показателями и превосходящие по помехоустойчивости AM приёмники высших классов.
- Радиус территории, обслуживаемой ЧМ передатчиком, в несколько раз больше радиуса территории, обслуживаемой AM передатчиком при одинаковых установленных мощностях.
- Учитывая, что стоимость строительства и эксплуатации передатчиков ЧМ значительно ниже стоимости строительства и эксплуатации AM передатчиков, а стоимости ЧМ и AM приёмников можно сделать почти равными, можно сделать общий вывод, что стоимость системы УКВ ЧМ вещания не будет выше стоимости системы УКВ AM вещания.
Таким образом, система многопрограммного высококачественного радиовещания на УКВ с частотной модуляцией имеет исключительно широкие перспективы применения.
В. Порудоминский