无线电话里的载波

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只有高频电流才能产生辐射,音波是不能直接辐射的。在无线电广播里就要有一种能载运音波的高频电流,这就叫做载波。载波不仅带着新闻、音乐、歌唱或讲演由广播台的发信天线辐射出去,传到家家户户,还使人们可以用最简单的矿石、单管或双管再生式、或超外差式收音机,进行检波,他就是从载波上“取下”音波,同时把载波滤掉,专听音波。

因此,即使是在无线电广播里,载波只在电波传播过程中起作用,我们耳朵听的,只有音波而不是载波。

当载波没有“载”着音波时,辐射的电波只有一个频率(f\(_{c}\));“载”上音波后,如果音波变化从200至6000周,也就是音波占200-6000周的频带,辐射出去的电波就有三个部分,就是频率为fc的载波,占(f\(_{c}\)+200-fc+6000)一个频带的“上边带”,和占(f\(_{c}\)-200-fc-6000)另一个频带的“下边带”,f\(_{c}\)在两个边带的中央。

图1
图1 🔍原图 (933×370)
图2
图2 🔍原图 (282×366)

这时天线辐射出来的电磁波的波形和音波波形的关系如图1。检波就是把横轴下面的部分取消,利用上面部分用不着说,这种程序,读者们都很了解,对有图1这样波形的电磁波进行检波,确实是再容易不过的了。这种辐射波的“频谱”可用图2来代表,不仅载波是高频,上下两边带也是高频,载波f\(_{c}\)在频谱中间,上、下边带好像一副音波的“担子”,被fc挑着前进一样。播送一个广播节目,总共所占频带是很宽的。因此,广播收音视收听起来,同样需要让很宽的频带通过,这通路上的“门”可以说是大开着的。

无线电话的情形就有所不同。接收无线电话的对方,不是只有最简单收音设备的一般居民,而是电信局里设备完善的收信台。在这种条件下收信设备可以做得比较复杂一些。上、下边带既能代表音波,又是可以产生辐射的高频,为什么非用载波不可呢?载波最后被滤掉了事,用了显然是一种浪费!

事实正是这样。一般在广播上不仅为了收听的声音宏亮,还为了检波的方便,许多广播电台不惜把输出电力由数百瓦逐渐增加到数百千瓦,其中很多的电力是消耗在本可以不要的载波上。

问题在于天线若不辐射载波,只辐射两个边带,也就是图1和图2里,把载波部分抽了出来,不仅图2的频谱里少了一个f\(_{c}\)成为图3,而图1的波形化改变了。波形一改变,检波就极不方便。我们可以用一个最简单的例子来说明这种波形的改变。

图3
图3 🔍原图 (251×210)

最简单的音波,是单独一个频率的音节,像广播台报时信号的声音那样,它的波形是一个正弦曲线如图4甲。载波“ 载”上这样正弦波后的波形如图4乙。载波的幅度随着音波的正弦曲线改变,改变的范围由最大到零值时,叫做100%调幅。或称调幅度m=1;较小的变化范围,是m小于1,较大的变化范围是m大于1。在所有m小于1的情形下,检波后可以还原为原来正弦波,而在m大于1的情形下,检波后的波形失真,得不出原来的正弦波来。这时上下两边带各只有一个单独的高频,频谱如图4丙。现在如果我们取消f\(_{c}\),图4乙不管调幅度是多少,都会变成图5甲的形状,图4丙的频谱就变成图5乙的频谱。

图4
图4 🔍原图 (620×326)
图5
图5 🔍原图 (731×711)

我们看图5甲是一种很特别的波形。看起来它的幅度也在变化,但在横轴上面的或下面的幅度变化都不代表原来正弦音波的波形,把这样的波检波后自然也得不到原来的正弦波,而完全失真了的得出原来音波的倍波来。例如原来音波是“1”的音节,就得到“i”的音节;原来是500周的声音,得到的会是1000周的声音。就像图5丙的一对普通电话线上的情形一样,如果没有直流电流由甲端到乙端起“载波”作用,甲端发出的一个“l”,同样被乙端听起来会成为“i”。可见没“载波”的信号传输,结果都有失真的可能。

有线电话克服这项缺点,系采用图6甲的方法,用直流充“载波”,或用图6乙的办法,甲端有直流,但在传输过程中(即在传输线上,相当于在无线电传播的空间里)不用载波如图5甲,节省下浪费在载波里的电力;到收信方面再加大载波,还原成图4乙,对检波也同样方便,可以完成通话的目的。

不用载波的好处,还不仅限于节省电力这一方面,而且同样重要的就是还可免除由于所谓“载波衰落”所引起的失真。“载波衰落”是指包括很宽频带的一个电波,在天空电离层传播过程中,各个频率的电磁能被离子吸收的程度不同,结果某些频率的振幅相对的变小了,由电离层出来的电波改变了原形,分析起来,包括了许多原来波形里所不包含的新的频率,因此就有失真。

我们曾谈过调幅度过大就会失真的问题。调幅度过大是可以由载波过小而引起的。换句话说:一个载波变小,等于两个边带同时变大,一个电离层吸收一个载波的程度,大于吸收两边带里所有任何一个频率的程度时,就可能会产生失真,这样失真的机会是太多了。所以载波衰落是传播过程中影响失真的主要来源。这在无线电广播里是无法避免的,但无线电话在传播过程中如果不用载波,就根本免除了这种失真的可能性。

如上所述,传播过程中不用载波,还意味着接收方面必湎加入载波的问题。因为载波到底不像有线电话里的直流,要加就加进去,没有什么特殊困难。无线电收发两方,丝毫没有联系,先拿下载波然后又还回去,要不改变原形,使得检波后完全还原为原来的声音,并不是很容易的事。

主要问题,一个是收信方面再加入的“载波”的频率,必须和发信方面拿下来的绝对相同;另一个是再加入的载波对两边带里的许多频率来说,它们相对的相位也要绝对不变。如果我们把代表载波电流的曲线和代表其他上下边带里各个频率电流的曲线绘在同一的时间轴上,上下边带里各频率电流的频率和相位都不变,而改变载波的频率和相位,结果都会产生相加以后振幅波形的变化,分析起振幅的波形来会含着许多原来没有的频率,产生失真,这理由是很显然的。

图7就是100%调幅度时,再加入的载波“相位”相对的改变10°、70°和90°后(0°为原波形),波形变化的情形;图8是50%调幅度时,相位差30°和90°的波形。特别值得注意的是调幅度m不大的情形。这时相对相位差一大,结果波形的幅度根本没有什么变化,换句话说:原来在发信方面m=50%,可能收下来就相当于m=10%;原来m=30%,就可能只相当于m=5%。 这和失真现象是同样值得重视的,因为它有可能使调幅 度减低到根本听不见声音。

图6
图6 🔍原图 (845×919)
图7
图7 🔍原图 (955×999)

普通的无线电话,为了免除说话声音太高引起过调幅失真,所以发信方面一般保持正常说话声音的调幅度不超过30%。因此收信方面再加入“载波”的相位不对,影响是十分严重的。试验证明,这种相位相差每周不能超过几度,突际上几乎无法做到,这是取消载波的传播方法上遇到的最大困难。不过这并没有限制无线电话的改进,还使得改进有了更好的方向,人们想:载波在两边带的正中,一旦脱离了它的岗位再回去不能靠左也不能偏右,本来是很困难的;如果再取消一个边带,仅剩下了上边带或下边带,仍旧能够从天线上辐射,带着音波到对方去。这样似乎应当给再加入的“载波”以更多的自由。

理论上也证明“单边带”传输是可以做到的。例如音频是f\(_{s}\),载波是fc,上边带就是f\(_{c}\)+fs,再加入载波f\(_{c}\),只要fc够大,检波后一定可以得到f\(_{c}\)+fs-f\(_{c}\)=fs 的不失真频率来。

但是这时如果加入的“载波”频率和相位不稳,到底有什么结果呢?

人耳对音波的组成部分有相位移动的结果是分辨不出的。一个复杂的声音里含着有基本音调(例如500周)和它的谐波(例如1000周、1500周等),照说基波和谐波是有相位上的关系的。但是如果基波和谐波的相位有相对改变,人的耳朵并听不出来。人的耳朵实际上起了消灭相位相互移动的作用。例如图9甲、乙、丙都是有相同基波和三次谐波的声音,谐波的相位各不相同,绘出基波加谐波的曲线显然也互不相同,而这三种音波人听起来是一样,因为它们的波形不同,而所含频率是完全相同的。此外,人耳每听到一个复杂的声音,基波决定它的音调,谐波决定它的音色,辨别语言,主要是靠音色,而不是靠音调;而欣赏音乐,就要靠音色和音调。

现在再回到我们的问题上来。先看加入载波的频率稳定不变,而相位发生变动的情形。

如音波f\(_{s}\)只有一个频率,单边带里也只有fc+f\(_{s}\) 一个频率,和再加入的fc合并时,给果总是产生一个频率f\(_{s}\)来。由于fc的相位移动,f\(_{s}\)的相位自然也可能跟着移动,但人耳听不出来。对于复杂的音波来说,fc相位的变动,只使得音波各组成部分即各基波和谐波的和相位相对移动,相加的波形虽跟着变动,但听起来声音不变,是和原来一样的。

如果收信方面加入的“载波”频率发生变动,但因外来的f\(_{c}\)+fs是稳定不变的,所以收音机输出的复杂音波里所含各个波的频率要发生变动,如果加入的频率变动10周,复杂音波里各个基波变动10周,它们的各次谐波也同样只变动10周,所以各基波频率的变化百分比较大,而它们的谐波变化百分比校小,所以音色的变化小,而音调的变化大,对一般讲话是无大妨碍的。

由于单边带再加入载波所引起来的困难不大,又节省了传播一个载波和一个边带所需的电力,所以对于必须有效地利用电力的较远距离的无线电话通信很合适。只不过收信设备比较普通广播收音机要复杂些吧了。

除此以外,单边带通话所占的频带比普通用双边带时窄了一半,收信机的“门”只需要开一半就够了。我们根据收信机内部杂音的分析,知道频带宽度如果小一倍,杂音电压就小了2倍;杂音电压小2倍,相当于有用信号电压增加了2倍,或等于有用信号电力增加了一倍。

总起来看:由于节省了一半频带的使用,发信方面发出1千瓦的电力,可以当2千瓦来利用,还可以免除载波衰落的失真。原来是一千瓦的普通发话桃,在设计时最末一级一定要考虑到100%调幅度的可能性,所以它的输出管所能用的屏极电压只能用到一半,以便100% 调幅时再加一倍不致使电子管受损。现在输出级即没有载波(突际上还要保留很少的载波来控制对方收信机的工作),所以屏压可以加倍,输出电力可以加4倍。即1千瓦的发信机变为输出4千瓦。这样,从设备的利用上看,1千瓦等于2×4即8千瓦。在没有再加入“载波”以前,单边带电话还有一定的保密性,直接检波是得不出原来声音的。(曙)