Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) тракта модулятора и демодулятора - пожалуй, самое важное в модуляции

Вы когда ни будь задумывались, почему вещательные станции (FM 88-108МГц) звучат на вещательный приёмник чисто, без "бубнения" и голос диктора разборчивый и почему Си-Би станции зачастую бубнят и голоса людей не всегда разборчивые?
Удивитесь, но вообще то всё просто.
Дело не в том, что какие то особенные вещательные FM передатчики и приёмники, дело в простом:
АЧХ низкочастотного тракта вещательного FM передатчика обратна АЧХ низкочастотного тракта вещательного приёмника - вот и вся магия.
Поясню наглядно.
АЧХ НЧ тракта передатчика:

АЧХ НЧ тракта приёмника:

Конечно всё условно, но смысл передаёт, а смысл прост:
в передатчике поднимаются по уровню высокие частоты ровно настолько, на сколько в приёмнике подавляются.
Мудрые люди долго вели различные натурные испытания и подтверждали их расчетами и в итоге пришли к выводу, что лучшая АЧХ, это подъём высоких частот в НЧ тракте передатчика 12дБ на октаву, а в приёмнике ослабление 12дБ на октаву.
Проще говоря: с повышением частоты в 2 раза уровень должен увеличиваться в 3,98 раза, то есть если на частоте 440Гц на выходе модулятора уровень сигнала 1 вольт, то на частоте 880Гц он должен быть почти 4 вольта (3,98 вольта).
К счастью для конструкторов сформировать такую АЧХ крайне просто, обычной RC цепочкой, соответственно, для передатчика:

Для приёмника:

При АЧХ с подъёмом/спадом 12дБ на октаву достигается лучшее соотношение сигнал/шум.
Причина простая: интенсивность шума в приёмном тракте с повышением частоты звука возрастает, соответственно если верхние частоты в передатчике поднять, а в приёмнике подавить, то шума субъективно будет меньше в сигнале.
Эта прописная истина известна с середины прошлого века, написана в учебниках для конструкторов электронной аппаратуры, но упёртые китайцы, корейцы, французы, американцы и многие другие, продолжают клепать Си-Би аппаратуру и связную аппаратуру, где в приёмном тракте хоть и соблюдается (плюс минус около того) АЧХ со спадом 12дБ/октава, а в передающих трактах царит издевательство и вакханалия (зачастую сделан не то что подъём высоких частот, а откровенный срез высоких частот и подъём низких). Здесь я говорю не о каких-то уоки-токи за 200 рублей на 1 транзисторе, а о таких аппаратах как Yaesu FT-857 не говоря уже о Megajet MJ-3031M или Yosan Stealth 5.

Формировать АЧХ надо до ограничителя

Ограничитель, особенно НЧ (два диода) насыщает спектр сигнала гармониками. Именно по этому после ограничителя и ставиться ФНЧ с частотой среза 3-5 кГц, который эти гармоники отрезает, не пропускает их к модулятору.

Рассмотрим, что произойдёт, если на вход ограничителя, ограничивающего сигналы на уровне 0.5 вольта подать два сигнала, один с частотой 500Гц и уровнем 3 вольта, а другой с частотой 2000Гц и уровнем 1 вольт.
Сигнал 500Гц будет ограничен больше, почти в 3 раза чем сигнал с частотой 2000Гц (а чем больше сигнал ограничен, чем ближе его форма к прямоугольной и дальше от синусоидальной, тем человеческому слуху он кажется громче), но самое неприятное, что после ограничителя появятся гармоники этих частот:
500*2=1000 Гц
500*3=1500 Гц
500*4=2000 Гц
500*5=2500 Гц
И соответственно для частоты 2000Гц гармоники:
2000*2=4000 Гц
2000*3=6000 Гц
2000*4=8000 Гц
2000*5=10000 Гц
Гармоники частоты 2000 Гц не пройдут через фильтр который установлен после ограничителя, а вот гармоники частоты 500Гц аж до 6 пройдут без проблем.
Самое плохое, что 4-я гармоника сигнала с частотой 500Гц "ляжет поверх" частоты 2000Гц.
То есть фактически, если мы отключим частоту 2000Гц совсем и оставим на входе только частоту 500Гц, то на выходе ограничителя всё равно будет присутствовать сигнал частотой 2000Гц - гармоника №4 частоты 500Гц.

Человеческий голос содержит частоты примерно от 200Гц до 6000Гц, причём самая информативная часть это частоты от 600Гц до 2000Гц. Не трудно заметить, что гармоники низких частот 200-1000Гц (которые создадутся в ограничителе и не будут срезаны выходным ФНЧ) перекрывают множество полезных частот в информативном спектре.
Вот эти гармоники низких частот, от согласных и гортанных звуков в речи, перекрывая собой другие полезные частоты, от шипящих и свистящих звуков и кажутся нашему слуху "бубнением в модуляции".

Решение простое - нужно допускать к ограничителю как можно меньше низких частот с уровнем, на котором наступает ограничение.
То есть нужно создать все условия, что бы гармоники низких частот не появлялись.
Проще говоря - до ограничителя в сигнале нужно "зарезать" низкие частоты.

Те гармоники, которые в ограничителе появятся от высоких частот (шипящие и свистящие звуки) не страшны, их срежет ФНЧ, который стоит после ограничителя и они не дойдут до модулятора.

О модернизации ЧМ тракта "сибишек", когда "лезут" в цепи ФНЧ, который, после ограничителя (обычно публикуют такие варварства на ci-bi.ru)
НЕ ДЕЛАЙТЕ ТАК!!!
Думаю, читатель уже сам догадался, что после ограничителя можно только пропустить больше вредных сигналов в модулятор, а уменьшить эффект маскировки полезных сигналов вредными уже невозможно (гармоники низких частот уже появились в ограничителе, уже наложились поверх полезных частот, уже сложились с полезными и безнадёжно исказили их форму).

О "коробочной" модуляции

Не редко можно слышать так называемую "коробочную" модуляцию - голос звучит так, словно из пластмассовой коробочки.

От части это потому, что микрофон действительно улавливает звуки отражающиеся от стенок маленькой пластмассовой коробочки в которую он помещён.
Любая коробочка с микрофоном или должна быть заполнена звукопоглощающим материалом (поролон, пенопласт) или микрофон должен быть установлен так, что бы звуки голоса оператора никогда не попадали в коробочку и из коробочки в микрофон.
Лучше и то и другое - в коробочке звукопоглощающий материал, а микрофон прижат к лицевой панели коробочки без щелей и непосредственно перед ним отверстие для звука.

Вторая часть "коробочной модуляции" - это ошибочно спроектированный тракт усиления сигнала микрофона.
Если сначала сильно срезать высокие частоты, а потом поднять их, то мы получим классическую коробочную модуляцию.
На схеме, номиналы в цепях создающих "коробочную" модуляцию могут выглядеть, например, так:

Ещё хуже дело обстоит, когда схема имеет вид:

То есть сначала были срезаны почти полностью высокие частоты, затем сигнал был усилен, отчасти насыщен гармониками низких частот и высокочастотными шумами усилителя, а затем в нём были подняты высокие частоты.
Для понимания, что произошло: для частоты 6000Гц конденсатор емкостью 0,1мкф имеет сопротивление всего лишь 260 Ом, соответственно совместно с резистором на 47кОм сигналы этой частоты ослабляются в 180 раз!

Конечно, если не "слить" ВЧ сигнал на "землю" то в амплитудной модуляции и SSB передатчик может войти в самовозбуждение, то есть по входу всё же необходимо ограничивать полосу, срезать высокие частоты, но делать это нужно не более чем это действительно необходимо.
Приведу пример с номиналами:

Для частоты даже 1МГц конденсатор на 4,7нф имеет сопротивление порядка 33 Ом, и совместно с резистором на 470 Ом ослабляет этот сигнал в 14 раз, а для частоты 6000Гц сопротивление этого конденсатора 5600 Ом и он практически не оказывает влияния на эти частоты.
Для частот порядка 27МГц на месте конденсатора на 4,7нф было бы вполне достаточно поставить конденсатор на 1нф (1000пф), а для частот 433МГц там бы вполне хватило и ёмкости 300пф и даже меньше.

Что бы уменьшить ВЧ шумы самого усилителя А1 разумно задать ему частотозависимую цепь обратной связи, например:

На этой схеме такую роль выполняет конденсатор ёмкостью 22пф, его сопротивление на частоте 15000Гц порядка 480 кОм, сопротивление резистора определяющего коэффициент усиления 470кОм. То есть на частоте 15000Гц общее усиление падает почти в 2 раза.

Если же в этой схеме установить вместо 22пф конденсатор на 150пф или тем более 300 пф, а вместо конденсатора на 68нф конденсатор на 0,47мкф и сигнал подать на ограничитель, то мы получим классическую "бубнящую" модуляцию с коробочным призвуком.
В качестве типичного примера, как сделать всё плохо - часть схемы Megajet MJ-600:

О фоне и прочих наводках на микрофонные провода

Собственно, что бы не было фона, одной только экранировки микрофонного провода не всегда достаточно. Тем более, если нет возможности этой экранировки (например, рядом с микрофонными проводами проложены провода, по которым процессор радиостанции опрашивает кнопки с некой частотой).
Что бы не было наводок достаточно соблюдать простое условие: микрофонный вход должен быть низкоомным.
Например, электретный микрофон имеет выходное сопротивление порядка 1 ... 3 кОм, динамический и того ниже 100 ... 600 Ом.
Поставьте по входу микрофонного усилителя резистор на 600 Ом и этого будет вполне достаточно, что бы навсегда избавиться от наводок!
Не параллельно микрофону, а именно параллельно входу микрофонного усилителя!
На схеме это будет выглядеть так:

Почему это работает?
По простой причине - тело оператора с осветительными проводами (источником фона) связано сопротивлением не меньше чем 1000000Ом, да и провода в жгуте связаны ёмкостью, эквивалентное сопротивление которой на звуковых частотах не значительно меньше указанной, следовательно, для фона и наводок 600 Ом по входу это делитель в 1600 раз, а для сигнала микрофона, даже если он электретный, это делитель лишь в 1.6 раза.

Для примера, как и нужно делать, привожу часть схемы (микрофонный вход) аппарата Vertex FTL-7011:

Так более того, перед этим входом, там, ещё и сигнал микрофона проходит через дроссель небольшой индуктивности, который практически не оказывает сопротивления звуковым частотам и является огромным сопротивлением для радиочастот.

Что ещё почитать по теме микрофонных трактов радиостанций и микрофонных усилителей трансиверов?

1) Проектирование радиопередатчиков. (Издательство: Радио и связь (ISBN 5-256-01378-5; 2003 г.))
2) Микрофонный усилитель - ограничитель (на сайте dl2kq.de).
3) Схемы профессиональных связных аппаратов (Vertex, Alinco, Icom, Kenwood).

Автор статьи:

250 из Новосибирск (Новосибирская обл)