4a. Кинетика. Теплота. Звук - Ричард Фейнман

Тот же эффект можно наблюдать и на осциллографе, кото­рый просто показывает сумму токов двух генераторов. Если частота пульсаций сравнительно мала, то мы просто видим, как на экране перед нами проходят синусоидальные волны, амплитуда которых пульсирует, но если сделать пульсации более быстрыми, то мы увидим нечто похожее на то, что пока­зано на фиг. 48.1. По мере увеличения разницы между часто­тами «вершины» сближаются все больше и больше. Если амплитуды не равны друг другу, если мы один сигнал сделаем слабее другого, то образуется волна, амплитуда которой, как это и ожидается, никогда не становится равной нулю. Все получается так, как нужно, независимо от того, электричество это или звук.

Но возможно и обратное явление! При радиопередаче ис­пользуют так называемую амплитудную модуляцию (AM). Вот как это делается. Радиопередатчик возбуждает электри­ческие колебания очень высокой частоты. Для радиовещания, например, используется частота 800 кгц. Если включен этот несущий сигнал, то передатчик будет излучать волны с часто­той 800 000 колебаний в секунду, причем амплитуда их по­стоянна. Информация же (зачастую совершенно бесполезная, вроде того, какую марку автомобиля вам следует приобрести) передается следующим образом: когда кто-то говорит в микро­фон, амплитуда несущего сигнала изменяется «в ногу» с коле­баниями звука, приходящего в микрофон.

Возьмем простейший с точки зрения математики случай, когда певица берет безупречную ноту с безупречным синусои­дальным колебанием голосовых связок, причем получается сигнал, сила которого меняется, как это показано на фиг. 48.4.

Фиг. 48.4. Модуляция несущей волны. На этом схематическом ри­сунке отношение wc/wm=5. В настоящей радиоволне wc/wm »100.

Изменения слышимой частоты принимаются затем приемником; мы избавляемся от несущей волны и смотрим просто на «оберт­ку», которая представляет собой колебания голосовых связок, или звук голоса певицы. Громкоговоритель же производит колебания той же частоты в воздухе, и в принципе слушатель не может обнаружить разницы между настоящим голосом пе­вицы и передачей, слышимой по радио. В действительности же из-за некоторых искажений и других тончайших эффектов можно все же определить, слышим ли мы радио или «живой» голос певицы; в других же отношениях все происходит так, как мы описали.

§ 3. Боковые полосы

Описанную выше модулированную волну математически можно записать в виде

S=(1+bcoswmt)coswct, (48.9)

где (wс— несущая частота, а wm— частота слышимого звука. Используя теоремы о косинусах или свойства экспоненты exp(iq) (разницы в этом никакой нет, однако легче работать с экспонентой), мы получаем

S=coswct+1/2bcos(wc+wm) t+1/2bcos(wс-wm)t. (48.10)

Таким образом, с другой точки зрения можно сказать, что вы­ходящая волна состоит из суперпозиции трех волн: обычной волны с частотой wс, т. е. несущей частоты, и затем двух новых волн с двумя другими частотами. Одна из них равна сумме несущей и модулирующей частот, а другая — разности. Если построить нечто вроде графика зависимости интенсивности излучения генератора от частоты, то сначала мы, естественно, обнаружим большую интенсивность при несущей частоте wс,но как только певица начнет петь, мы неожиданно обнаружим интенсивность, пропорциональную силе голоса певицы b2 при частотах wс+wmи wс-wm, как это показано на фиг. 48.5.

Фиг. 48.5. Спектр частот несущей волны wс, модулированной одной косинусообразной волной wm.

Они называются боковыми полосами. Если из передатчика вы­ходит модулированный сигнал, то возникают боковые полосы. Если в одно и то же время передаются две ноты, скажем, с частотами wm и wm', например играют два инструмента или какая-то другая усложненная волна, тогда из математики вид­но, что получаются две новые волны, соответствующие часто­там (wm±wm'.

Итак, если происходит какая-то сложная модуляция, ко­торую можно представить в виде суммы многих косинусов, то оказывается, что в действительности передатчик работает в целой области частот, именно несущей частоты плюс-минус максимальная частота, содержащаяся в модулирующем сиг­нале.

Хотя вначале мы могли поверить, что радиопередатчик ра­ботает только на номинальной несущей частоте, так как в нем находится большой сверхстабильный кристаллический осцил­лятор и все подобрано так, чтобы частота была равна в точности 800 кгц, но в тот момент, когда диктор объявляет, что станция работает на частоте 800 кгц, он тем самым модулирует эту ча­стоту и передача уже не идет точно на этой частоте. Предполо­жим, что усилители построены так, что они могут передавать широкую полосу частот в области, воспринимаемой ухом (ухо может слышать частоты вплоть до 20 000 гц, но обычно радио­приемники и радиопередатчики работают ниже частоты 10 000 гц, и по радио мы высших частот не слышим). Так что голос диктора, объявляющего что-то по радио, может содер­жать частоты вплоть до 10 000 гц, передатчик излучает ча­стоты в области от 790 до 810 кгц. Если при этом на частоте, скажем, 795 кгц работает еще одна радиостанция, то возникают большие помехи. Если мы сделаем наш приемник столь чув­ствительным, что он будет принимать только частоту 800 кгц и не будет захватывать по 10 кгц с каждой стороны, то мы не услышим, что сказал диктор, ведь информация передается именно на боковых частотах! Поэтому очень важно, чтобы стан­ции были разделены некоторой областью частот и их боковые полосы не перекрывались, а приемник не должен быть столь избирательным, чтобы не позволять принимать боковые полосы вместе с номинальной частотой. Но эта проблема не вызывает больших затруднений при радиопередачах. Мы слышим в области ±20 кгц, а радиопередача ведется обычно в области от 500 до 1500 кгц, так что места должно хватить для множества станций.

Проблема телевидения намного труднее. Когда электрон­ный луч бежит по экрану телевизионной трубки, он создает множество светлых и темных точек. Эти светлые и темные точки и есть «сигналы». Обычно, чтобы «показать» весь кадр, лучу требуется примерно в тридцатую долю секунды пробежать 500 строк. Пусть разрешение по горизонтали и по вертикали более или менее одинаково, т. е. на миллиметр каждой строки приходится ровно столько же точек, сколько строк приходится на миллиметр высоты. Нужно, чтобы мы могли различать по­следовательность светлое — темное, светлое — темное, светлое — темное на протяжении 500 линий. Чтобы это можно было сделать с помощью косинусообразной волны, требуется длина волны, т. е. расстояние от максимума до минимума, соответ­ствующая длине 1/250 части экрана. Таким образом, получается 250x500x30 «единичек информации» в секунду, поэтому выс­шая частота, которую нужно передать, оказывается равной приблизительно 4 Мгц. На самом деле, чтобы отделить телеви­зионные станции одну от другой, мы должны использовать несколько большую ширину — около 6 Мгц. Часть ее исполь­зуется для передачи звукового сопровождения и другой инфор­мации. Таким образом, телевизионный канал имеет ширину 6 Мгц. Разумеется, модулировать с частотой, превышающей частоту несущей волны, невозможно, поэтому телевизионные передачи нельзя вести на частоте, например, 800 кгц.

Во всяком случае, телевизионная полоса начинается с частоты 54 Мгц. Первый телевизионный канал в Соединенных Штатах работает в полосе от 54 до 60 Мгц, т. е. имеет ширину 6 Мгц. «Постойте,— можете сказать вы,— ведь только сейчас мы до­казали, что боковые полосы должны быть с обеих сторон, а поэтому ширина должна быть вдвое больше». Оказывается, радиоинженеры довольно хитрый народ. Если при анализе модулирующего сигнала использовать не только косинус, а косинус и синус, чтобы учесть разность фаз, то между высоко­частотной и низкочастотной боковыми полосами обнаружится наличие определенного постоянного соотношения. Этим мы хотим сказать, что вторая боковая полоса не содержит никакой новой информации по сравнению с первой, так что одну из них вполне можно выкинуть. Приемник же устроен таким образом, что потерянная информация восстанавливается из несущей ча­стоты и одной боковой полосы. Передача с помощью одной бо­ковой полосы — очень интересный метод уменьшения ширины полосы, необходимой для передачи информации.