Передачу сообщений с помощью электромагнитных волн с относительно узкой шириной спектра можно осуществить, если подвести усиленный сигнал к передающей антенне, которая создаст в окружающем пространстве электромагнитную волну. Достигнув приемной антенны, волна возбудит в ней электромагнитные колебания, спектральный состав которых такой же, как у сигнала сообщения.

Однако при таком способе передачи сообщений возможен лишь один канал связи. Одновременная работа нескольких (даже двух) радиостанций была бы недопустимой, так как спектры сигналов всех радиостанций лежали бы в этом случае в одном и том же интервале частот и разделить их во время приема сообщений разных радиостанций было бы невозможно.

Для обеспечения многоканальной радиосвязи электрический сигнал сообщения не излучается в пространство непосредственно, а используется для модуляции высокочастотных колебаний. Модуляция – это процесс, при котором электрический сигнал сообщения воздействует на колебания высокой частоты (несущие колебания) так, что их амплитуда, частота или начальная фаза изменяются во времени по тому же закону, что и напряжение сигнала сообщения. Модулированные высокочастотные колебания называют радиосигналом, так как он излучается в окружающее пространство передающей антенной. Структурная схема канала связи показана на рисунке 1.

Чтобы выделить радиосигнал нужной станции, на входе приемника станции ставится частотно-избирательный фильтр, который можно настроить так, чтобы он пропускал только частоту этого радиосигнала.

Переход с одного канала связи на другой производится перестройкой входного фильтра приемника. Приемник должен обеспечить усиление радиосигнала. Эту функцию выполняет совокупность устройств, которая на структурной схеме обозначена как радиочастотный тракт.

Рис. 1

Усиленный радиосигнал поступает на детектор, задача которого заключается в обнаружении передаваемого сигнала сообщения, закодированного в радиосигнале. Полученный на выходе детектора сигнал сообщения усиливается усилителем звуковой частоты (УЗЧ) и подается на оконечное устройство, преобразующее электрический сигнал в сообщение, воспринимаемое человеком или автоматическим устройством, для которого это сообщение является командой управления. В случае радиовещательного приемника оконечным устройством является громкоговоритель, выполняющий функцию, обратную функции микрофона.

2. Сообщения и сигналы сообщения

Задачей радиотехники является передача информации с помощью электромагнитных волн.

Совокупность устройств, предназначенных для передачи информации, а также среда, в которой распространяются электромагнитные волны, образуют канал связи.

В случае радиовещания передаваемая информация (сообщение) представляет собой речь, музыку и иное и предназначена для большого числа потребителей.

Чтобы обеспечить передачу сообщений, их сначала преобразуют в электрические сигналы (напряжение или ток), называемые сигналами сообщений. В радиовещании это производится с помощью микрофона. Колебания мембраны микрофона, вызываемые звуковой волной, преобразуются в электрические колебания звуковой частоты, форма которых повторяет форму звукового давления. Звуковые сигналы в общем случае являются непрерывными случайными сигналами.

В радиосвязи находят все большее применение цифровые методы передачи информации. Электрический сигнал сообщения в цифровых системах связи представляет собой последовательность импульсов, чаще всего имеющих прямоугольную или колоколообразную форму. Такие сигналы называют дискретными.

Важной характеристикой сигнала сообщения является его спектр, который представляет собой преобразование Фурье функции u(t), описывающей зависимость напряжения сигнала сообщения от времени. Спектр сигнала удобно изображать графически в виде спектрограммы. Бывают амплитудно-частотные спектрограммы и фазочастотные спектрограммы.

Так как ухо человека не реагирует на фазы колебаний, в звуковом радиовещании пользуются только амплитудно-частотными спектрограммами. В том случае, когда спектры сигналов занимают много октав, при построении спектрограмм обычно пользуются логарифмической шкалой частот, на которой откладываются не частоты, а их десятичные логарифмы.

Ширина спектра сообщения определяет интервал частот, отводимый данному каналу связи.

При передаче речи или музыки ширина спектра сигнала сообщения определяется спектром звуковых частот, т. е. занимает интервал от 20 Гц до 20 кГц. В тех случаях, когда это необходимо, ограничивают ширину спектра сигнала сообщения. При этом ухудшается качество воспроизведения передаваемого сообщения, зато увеличивается число возможных каналов связи. При создании служебной радиосвязи между двумя объектами (например, между Землей и летящим самолетом, двумя кораблями и т. д.) качество воспроизведения передаваемого сообщения должно быть таким, чтобы обеспечить разборчивость речи. Для этого достаточно передавать сигнал сообщения в интервале частот от 200 Гц до 3 кГц. При высококачественном радиовещании, когда важно сохранять не только информацию, содержащуюся в речи, но и тембр голоса, а также обеспечить неискаженную передачу музыки, спектр частот сообщения должен быть значительно шире (например, от 30 Гц до 4,5 кГц).

3. Амплитудно-модулированный и частотно-модулированный сигналы

Амплитудная модуляция (АМ) – это воздействие на амплитуду несущих колебаний. Приняв начальную фазу равной нулю, несущее колебание запишем в виде:

u(t) = U_m cosoω₀t. (1)

При наличии сигнала сообщения u_с(t), воздействующего на амплитуду несущих колебаний, представим последнюю в виде:

U_m= U₀+ ΔU = U₀ + ku_c(t), (2)

где U₀ = const; а DU = ku – приращение амплитуды, пропорциональное напряжению сигнала сообщения (k – постоянный коэффициент).

Обычно сигнал сообщения u_с(t) является сложной функцией времени. Рассмотрим простейший случай, когда сигнал является гармоническим:

u (t) = U_mccosΩt. (3)

Начальная фаза сигнала сообщения в звуковом радиовещании принимается равной нулю.

На основе (1) и (2) амплитуда АМ может быть представлена в виде:

U_m = U₀(1 + mcosΩt), (4)

где коэффициент модуляции.

При осуществлении АМ коэффициент модуляции не должен превышать единицу (m ≤ 1).

Коэффициент модуляции можно выразить так:

где U_mmax и U_mmin – наибольшее и наименьшее значения амплитудно-модулированных колебаний.

Коэффициент модуляции часто называют глубиной модуляции.

Подставив (4) в (1), получим аналитическое выражение для АМ колебания:

u_АМ(t) = U₀(1 + mcosΩt)cosω)₀t. (5)

В модулированном колебании амплитуда меняется во времени по закону изменения сигнала сообщения. Для определения спектрального состава АМ радиосигнала представим (5) в виде:

В соответствии с (6) спектр простейшего АМ колебания представляет собой сумму гармонических составляющих с частотами ω₀, ω₀ – Ω, w₀ + Ω и амплитудами U и .