Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
На этом главу о радиовещании можно было бы и закончить, если бы — если бы не внедрение во многие отрасли науки и техники цифровой электроники и космической техники. Цифровая электроника и радиовещание — казалось бы, совсем несовместимые вещи! Но мы уже говорили о том, что цифровая техника используется в синтезаторах частоты задающих генераторов радиопередатчиков.
А нельзя ли сделать то же самое и в приемнике? На первый взгляд — сложно и дорого, но только на первый! Стали ведь дешевыми и микрокалькуляторы, и электронные часы, а техника в них ничуть не проще, чем в синтезаторе частоты. Но нужен ли он в приемнике?
Давайте разберемся.
Слушая КВ радиостанцию на простеньком приемнике, вы то и дело тянетесь к ручке настройки, чтобы проверить, нельзя ли настроить приемник получше? И очень часто это удастся. Частота настройки приемника определяется частотой его гетеродина, а она «плывет», «уходит» при изменениях температуры, напряжения сети или батарей и от многих других факторов. Лишь в диапазонах ДВ и отчасти СВ можно быть уверенным, что уход частоты гетеродина будет невелик: намного меньше ширины полосы пропускания приемника.
Поясню сказанное примером. Относительная нестабильность частоты простого гетеродина радиовещательного приемника составляет 10-3…10-4 (0,1…0,01 %). Если гетеродин настроен на частоту 1 МГц (в диапазоне средних волн), абсолютный уход его частоты будет не более 10-3·106 Гц = 1 кГц. При этом сигнал радиостанции еще не выйдет из полосы пропускания приемника, составляющей 4…10 кГц. Но при частоте настройки 10 МГц (в КВ диапазоне 31 м) уход частоты может достигнуть 10 кГц, что приведет к полной потере сигнала станции. Но и значительно меньшие уходы частоты вызывают заметное изменение качества приема.
Неизмеримо более высокие требования к стабильности частоты гетеродинов предъявляются при синхронном приеме двухполосных AM сигналов и при однополосном приеме, когда несущая принимаемого сигнала генерируется в самом приемнике. Исследования показали, что если при приеме речи еще допустима неточность восстановления частоты несущей в несколько десятков герц, то при приеме музыкальных передач ошибка не должна превосходить 1…1,5 Гц. При синхронном приеме несущая должна восстанавливаться с точностью до фазы, при этом частотная ошибка должна равняться нулю. Такого результата добиваются применением специальных систем синхронизации — фазовой автоподстройки гетеродина по несущей сигнала. Но и для работы этих систем точность предварительной установки частоты должна быть высокой, не хуже нескольких десятков, в крайнем случае — сотен герц. Таким образом, новые, прогрессивные методы радиовещания требуют в первую очередь повышения стабильности частоты и передатчиков, и приемников.
Другая проблема. Наконец-то вы настроились, совершая прогулку по эфиру, на желаемую радиостанцию, скажем Вильнюса (частота 666 кГц — легко запомнить!). Хорошо, что частоту я вам назвал, а то как бы вы ее узнали, глядя на механическую шкалу с толстой стрелкой приемника? Деления на шкале редки, стрелка движется с люфтом, да и указаны на ней не частоты, а длины волн, и то очень приблизительно. Можно ли сделать механическую шкалу с точностью отсчета частоты 1 кГц? Можно, и в профессиональных приемниках это делают. Для диапазона СВ такая шкала должна содержать более 1000 делений, и приемник превратился бы из изделия широкого потребления в прецизионный и очень дорогой в производстве аппарат. Но нам-то как быть? Ведь завтра опять захочется послушать Вильнюс и предстоит новый кропотливый поиск в эфире.
Описанные проблемы сразу решаются, если в приемнике есть синтезатор и шкала с цифровым отсчетом частоты. Рассмотрим структурную схему одного из простейших синтезаторов. В нем два генератора; один — кварцевый, настроенный на стабильную фиксированную частоту, другой управляемый, с электронной перестройкой в нужном диапазоне. Он и служит гетеродином приемника. Частоты генератора: один — кварцевый, настроенный на стабильную фиксированную частоту, другой — управляемый, с электронной перестройкой управляющий сигнал, подстраивающий гетеродин до тех пор, пока поделенные частоты не совпадут абсолютно точно. Частота гетеродина оказывается равной fг = (n/m)·fкв. Рассмотрим числовой пример: пусть частота кварцевого генератора fкв = 1000 кГц, а коэффициенты деления m = 1000, n = 549. Получаем частоту гетеродина fг = 549 кГц, что соответствует частоте радиостанций второй Общесоюзной программы «Маяк». Изменяя коэффициент деления n, можно получать сетку частот через 1 кГц.
Стабильность частоты синтезатора определяется встроенным кварцевым генератором и может быть сделана достаточно высокой (10-6…10-7). Никаких уходов частоты настройки приемника! А глядя на цифровой индикатор шкалы, вы будете знать частоту настройки точно и сможете настроиться на желаемую станцию еще до того, как она выйдет в эфир. Открываются и новые широчайшие возможности. Настройку можно сделать скачками по 9 кГц в диапазонах ДВ и СВ и 5 кГц в диапазоне КВ в соответствии с принятой сеткой частот радиостанций. Можно и вообще отказаться от традиционной ручки настройки и заменить ее двумя кнопками «перестройка вверх» и «перестройка вниз» (по частоте, разумеется).
Синтезатор частоты.
В приемнике с синтезатором частоты легко ввести и устройство автоматической настройки, перестраивающее приемник до тех пор, пока не будет принят сигнал радиостанции. После приема сигнала достаточного уровня перестройка прекращается. Можно, наконец, ввести клавишный набор частоты настройки с помощью такой же клавиатуры, как в микрокалькуляторе. И так же, как в микрокалькуляторе, можно обеспечить запоминание набранной частоты настройки. Имея память на 8, 16 или 32 частоты настройки, уже и набирать на клавиатуре ничего не потребуется — достаточно будет нажать лишь номер нужной ячейки памяти. Клавиатуру набора частоты не обязательно размещать в самом приемнике, ведь она непосредственно не связана с гетеродином. Легко осуществляется дистанционное управление приемником с выносной клавиатуры, связанной с приемником кабелем, ультразвуковой или инфракрасной линией передачи. v
Все, что здесь рассказано, — вовсе не техника будущего. Это есть уже сегодня и используется в большинстве современных профессиональных и некоторых полупрофессиональных приемниках. Есть приемники, в которых управление синтезатором осуществляет микропроцессор. Возможностей у них еще больше. Ими можно управлять дистанционно по телефонной линии и по программе заложенной в памяти.
Особый интерес вызывает возможность использования микропроцессора для фильтрации сигнала, т. е. выделения его из множества мешающих сигналов и шумов эфира. Цифровые фильтры могут иметь характеристики, намного превосходящие характеристики обычных, аналоговых фильтров. Возможно, например, получение практически идеально прямоугольной АЧХ. Такой фильтр пропустит только спектр полезного сигнала, а все другие сигналы почти полностью подавит. В цифровом фильтре входной аналоговый сигнал сначала преобразуется в цифровую форму, затем обрабатывается микропроцессором, а далее снова преобразуется в аналоговую форму. В некоторых приемниках специального назначения, в частности радиолокационных, цифровые устройства обработки сигналов уже используются. Время внедрения цифровых фильтров в радиовещательные приемники пока, видимо, еще не наступило.
Более того, сами передаваемые сигналы в радиовещании по-прежнему остаются аналоговыми. Помните, как цифровые способы передачи позволили повысить качество телефонной связи? Нельзя ли то же самое сделать и в радиовещании: преобразовать передаваемую программу в поток цифровых сигналов и так излучать ее в эфир? Накопить в памяти больших ЭВМ, восстановить (регенерировать), если она искажена помехами? Разумеется, можно! И инженеры сейчас уже работают в области цифрового радиовещания. Переход к цифре сулит необыкновенное улучшение качества звуковоспроизведения: нелинейные искажения менее одной тысячной процента и отношение сигнал-шум более 90 дБ становятся реальностью. На практике это означает, что человек, закрыв глаза, не сможет отличить звук, передаваемый по радио, от звука, непосредственно приходящего со сцены. Но проблем предстоит решить еще очень много.
Для цифровой передачи необходима очень широкая полоса частот, и вещание возможно лишь в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Техника цифрового радиовещания разрабатывается в нашей стране с 1982 года. К настоящему времени уже подготовлена экспериментальная система цифрового вещания для Ленинграда и Таллина. Предполагается, что один передатчик, используя технику цифрового уплотнения каналов, будет передавать пять стереопрограмм или 10 монофонических программ на одной несущей. Сигнал будет приниматься коллективной антенной, оснащенной коллективным приемником, установленным, скажем, в подъезде вашего дома. Оконечные устройства приемника, установленные в каждой квартире, позволят радиослушателям выбрать из пяти программ любую желаемую. Благодаря использованию интегральной техники оконечные устройства получаются сравнительно недорогими, но, несмотря на это, обеспечивают радиослушателям дополнительные сервисные удобства. Техника развивается быстро, и вполне возможно, что через несколько лет цифровое стереофоническое радиовещание станет обыденным явлением!
