无线电广播的发送和接收

调幅和检波

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无线电广播,从发到收,隔着很远的距离,传递言语、音乐和表演节目,主要是靠电磁波。电磁波由发信天线发出,被收信天线接收(图1)。发信天线里的电流(图2)必须有相当高的频率(至少在10000周以上,普通广播用的在500千周以上),否则电磁波不容易在空间传播(参看本刊第4期电磁波)。我们知道电子振荡可以产生高频电流,那末,我们只要设法把这种高频电流送到发信天线上去,无线电广播里的主要问题就大部分已经解决了。

图1
图1 🔍原图 (648×330)
图2
图2 🔍原图 (607×384)

但是,这样的高频电流与我们广播的节目——例如讲演、唱歌或音乐演奏——有什么关系呢?我们晓得发出的各种声音,利用话筒可以变成音频电流。显然音频电流和高频电流都是不可少的两样东西(图3)。因为普通音频电流的频率很低(大约50—6000周),还不能发出电磁波,而高频电流所产生的单纯的电磁波虽然传播很远,又没有什么意义,它们必须结合起来,方能得到广播节目的效果。

图3
图3 🔍原图 (657×463)

在播送节目时,因此就少不了要有一个用音频来改变高频电流大小(也就是幅度)的过程,这个过程,我们叫做“调幅”(图4)。调幅以后,音频电流好像是被高频电流负载着向各处传播一样,所以我们时常把高频电流所产生的电波叫做“载波”。

图4
图4 🔍原图 (577×703)

同时,在接收方面,尽管我们高高地架起了收信天线,把电磁波收集下来,让它在天线里产生随着音频变化的高频电流,我们甚至还可以加入调谐回路,把高频电流的作用加大,但如果我们把高频电流直接接进耳机去,那是什么也听不见的。因为耳机能发出声音,是由于线圈里通过电流吸引膜片振动的缘故。如果接进音频电流,一秒钟振动数千次,它是能够这样动的(图5);若将高频电流接进耳机去,要它每秒钟振动数百万次,它根本就跟不上了,结果它在那里一动也不动,等于没有作用。此外,人的耳朵也不能听见极高频率的声音,因为人的耳膜也是来不及振动的。

图5
图5 🔍原图 (463×551)

显然,我们必须从随音频变化的高频电流里,先取出成音频变化的电流成分,然后把它接到耳机里去,方能听见广播节目。这是收信方面必不可少的一个过程。这个过程我们叫做“检波”,好像我们把混在高频电流里的音频电流“检”出来了一样(图6)。用喇叭或用耳机听道理都是一样的,喇叭的纸盆也只能按音频变化的电流而振动,太高的频率喇叭也是不能动的。

图6
图6 🔍原图 (553×473)

调幅是怎样得到的

振荡器所产生的高频电流,用曲线表示出来每周都是正弦波形的。如果我们要问它为什么是正弦波形,固然可以用数学来证明,但也可以说这是一种自然界的规律。随便什么东西,只要它振荡起来,必定是按着正弦规律的。例如按键时一根钢琴弦线的振动,用笛子吹出一个单音时空气分子的振动,水分子在水面上的动荡等,都基本上是按照正弦规律的。这种每周都是正弦波形的高频电流,叫做高频等幅振荡电流,因为它的最大值,并不随时间变化。

靠了电磁感应作用,我们不难使振荡器所产生的某一频率的等幅高频电流,在发信天线里产生同样频率的高频电流。发信天线可以看成是一个调谐回路,能够调整到对这个频率谐振时,电流就很大。电流愈大,辐射出去的电磁波愈强。但这电流也会受到一些限制,因为天线回路里还有各种样的电阻的原故。我们可以这样说:天线回路里每周电流的大小,决定于天线回路所有各种电阻的数值。

现在,假设我们在天线回路里接入了一个炭精式话筒,它的电阻是随声音变动的。结果天线回路里的电流就会受到话筒电阻的调变,也就是它的振荡幅度要随着声音的大小而变化,这样就产生了调幅过的电流(图7)。

图7
图7 🔍原图 (549×613)

我们单看高频振荡一周的情形:上半周的电流受到话筒电阻的限制,下半周的电流可以说也受到话筒同样大小电阻的限制,这是因为高频一周时间极短,隔开半周的时间,声音的大小等于没有变动,话筒电阻也可以看做还没有变动。这就是说,已调幅的高频电流,两个半周基本上数值相等,只是方向相反,所以每周的平均值这零(图8)。

图8
图8 🔍原图 (525×567)

如果在天线回路里,我们另外接入一个高频电流表,当讲话的时候,它的指针是会随着声音的大小跳动的。因为普通高频电流表量的不是电流的平均值,而是量它的有效值,这种电表指数的大小,是与电流的平方的平均值成正比。

天线电流的有效值,是按什么规律变化的呢?

首先,我们注意没有接入话筒以前,天线的电流大,产生的电磁波强;也就是辐射的电力大。但为了可以得到调幅的作用,接进一个话筒,也就是加入了一个电阻。这样天线电流开始就变小,辐射的电力也就减少了。我们常说某一部发信机做电报输出100瓦,而通电话输出就只有60瓦,就是因为通话时高频电流输出功率先降低了的缘故,而做电报时就不会这样做了。

假设一开始天线电流被话筒电阻减小到一定值I;讲话时(假设我们发出一个单音),话筒电阻按声音振动强弱变动,天线电流就随它变化,设变到最高高到I\(_{H}\),最低低到IL。I\(_{H}\)和I的差或I和IL的差对I的比值,我们叫做“调幅率,”简写为m,即m=\(\frac{I}{_{H}}\)-II=I-IL;I。m愈大,天线电流的变化愈大。m=1时,我们说调幅度为100%,这时I\(_{L}\)为零。m=0.6时,调幅度就只有60%,就是IL不到零。

天线电流按正弦音频变化以后,它的平均值虽仍为零,但有效值随m的大小随时变动,有调幅时的电流有效值会比无调幅时大\(\sqrt{1}\)+\(\frac{m}{^{2}}\)2倍。例如m=0.5时,天线电表的指数就增大1+0.52;2=1.06倍,也就是增加了6%。讲话时,声音有强有弱,调幅度随时改变,这就是讲话时指针跳动的绿故。

天线辐射电力,就像一个电阻发热消耗电力的情形一样,是和电流的有效值的平方成比例的。因此调幅后辐射的电力增加(1+\(\frac{m}{^{2}}\)2)倍,其中“1”代表没有调幅时辐射的电力,m2;2代表由于有调幅后所增加的辐射电力。

在广播发信机里,产生调幅的方法虽不像这里所谈的这样简单,但调幅以后的波形,高频电流数值和辐射电力的变化情形,和这里所谈的仍是相同的。所不同的,是话筒一般并不接在天线上,而是话筒产生音频电流后,又利用电子管来产生调幅。

检波是怎样得到的

发信天线由于随着音频变化的高频电流而幅射的电磁波,传到收信天线上就会感应出同样波形的高频电流,这种电流,我们说过平均值是零,通到耳机里去不起作用。如果我们设法把上半周都保留下来,而割断所有下半周,各上半周的电流最大值将仍按声波变化。由于没有了下半周,所以每周的平均值现在不是零,而也同样是随着音波变化(图9)。换句话说,这样取消了下半周以后的高频电流,就等于是在一个平均的音频电流上,加了一个等幅的高频电流。

图9
图9 🔍原图 (539×429)

将这样的电流通到耳机里去,在耳机上再并联一个电容器。上述的高频成分很容易由电容器通过,只剩下音频电流成分进到耳机的线圈里,因此就能发出声音。

看起来,“检波”这项工作是非常简单的,把已调幅的高频电流截去一半就行。

一般收音机里是用电子管来进行检波的,但矿石收音机里却更简单只用一块矿石。矿石和电子管一样,它可以让电子从一面流到另一面,而不许它们向相反的方向流动,所以高频电流的电路里加了一块矿石,自然就把电流的一半截去(图10)。

图10
图10 🔍原图 (1127×1051)

但是,为了得到更高的效率,实际用的调幅和检波方法是很多的,在大电力的发信机和优良的收音机里一多半用电子管,工作情况是相当复杂的,因此本文所介绍的,还只是一些最基本的知识。(沈肇熙)