Как выбросить из эфира две трети мощности и выиграть от этого

В обычной амплитудной модуляции происходит расточительство, на которое инженеры долго закрывали глаза. Передатчик честно гонит в антенну несущую и две зеркальные боковые полосы, а полезная информация при этом содержится лишь в одной из них. Несущая не несёт ни байта смысла, вторая боковая полоса дублирует первую, и получается, что львиная доля мощности уходит впустую. Однополосная модуляция, которую радиолюбители знают под аббревиатурой SSB, выбрасывает балласт за борт: убирает несущую, отсекает лишнюю боковую полосу и пускает всю энергию передатчика на единственный осмысленный кусок спектра. Результат граничит с фокусом, но за ним стоит точная схемотехника.

Что именно убирают из спектра и что от этого выигрывает связь

Спектр амплитудно-модулированного сигнала симметричен относительно несущей. Слева лежит нижняя боковая полоса, справа верхняя, и обе содержат одну и ту же звуковую информацию, просто отражённую. Несущая торчит ровно посередине мощным пиком, который переносит нулевую информационную нагрузку. Идея SSB проста до изящества: раз информация не страдает, из спектра без всякого ущерба исключают несущую и одну из боковых полос, направляя всю мощность передатчика на излучение только информативной части.

Выигрыш получается тройным. Во-первых, мощность тратится эффективно, и при равной отдаче передатчик SSB слышен значительно дальше своего амплитудного собрата. Во-вторых, занимаемая полоса сужается вдвое, что в тесном радиолюбительском эфире позволяет уместить больше станций. В-третьих, исчезает неприятный эффект: когда несколько станций с однополосной модуляцией работают на близких частотах, они не создают друг другу помех в виде свистящих биений, которыми мучает амплитудная модуляция с неподавленной несущей. За все эти блага приходится платить усложнением аппаратуры и повышенными требованиями к частотной точности и стабильности гетеродинов, и это главный недостаток метода.

Балансный модулятор как сердце, которое гасит несущую

Первый рубеж формирования SSB это подавление несущей. Здесь работает балансный модулятор, схема, построенная так, что продукты перемножения звукового сигнала и несущей проходят на выход, а сама несущая взаимно уничтожается за счёт симметрии плеч. На выходе балансного модулятора остаётся сигнал с двумя боковыми полосами, но уже без несущей в середине, так называемый DSB, двухполосный сигнал с подавленной несущей.

Качество подавления несущей измеряют в децибелах относительно уровня боковых полос, и в добротных схемах достигают сорока децибел и выше. Любая асимметрия плеч, разброс параметров диодов в кольцевом смесителе или неточность балансировки оборачивается просачиванием остатка несущей, который на приёме слышен как лишний тон. Поэтому в схему вводят подстроечные элементы для тонкой балансировки, а в качестве перемножителей применяют согласованные пары или специализированные микросхемы перемножителей с хорошей симметрией.

Фильтровый метод и высокодобротный кварц, режущий лишнюю полосу

Подавив несущую, нужно убрать одну из двух оставшихся боковых полос. Самый распространённый в радиолюбительской практике путь это фильтровый метод. После балансного модулятора ставят высокодобротный полосовой фильтр с шириной полосы пропускания, равной ширине одной боковой полосы, обычно около двух с половиной килогерц для речи. Фильтр пропускает выбранную боковую полосу и давит соседнюю.

Главная сложность фильтрового метода в требованиях к самому фильтру. Между верхней и нижней боковыми полосами лежит частотный промежуток, равный удвоенной самой низкой звуковой частоте, то есть порядка трёхсот герц на каждую сторону от точки подавленной несущей. Чтобы за этот узкий зазор провалить характеристику на десятки децибел, нужен фильтр с очень крутыми скатами и высокой добротностью. На практике это кварцевые или электромеханические фильтры, набранные из нескольких резонаторов. Поскольку строить такой фильтр на высокой рабочей частоте трудно, формирование SSB ведут на промежуточной частоте, удобной для фильтра, а затем переносят готовый однополосный сигнал на рабочую частоту смесителем. Выбор излучаемой боковой полосы, верхней или нижней, делают либо двумя фильтрами, либо переключением частоты опорного генератора относительно полосы пропускания фильтра.

Фазовый метод и каверзная задача поворота фазы на девяносто градусов

Альтернатива фильтру это фазовый метод, в котором ненужную боковую полосу гасят не отсечением, а взаимным уничтожением. Звуковой сигнал расщепляют на два канала, между которыми вводят сдвиг фазы ровно в девяносто градусов на всех частотах звукового диапазона. Каждый канал подаётся на свой балансный модулятор, а на модуляторы заводят две версии несущей, тоже сдвинутые друг относительно друга на девяносто градусов, в квадратуре. Когда выходы двух модуляторов складывают или вычитают, одна боковая полоса усиливается синфазно, а другая оказывается в противофазе и взаимно уничтожается, давая однополосный сигнал без несущей и без фильтра.

Математика метода опирается на тригонометрическое тождество для произведения синусов и косинусов. Если несущую записать как cos(ωt), а звуковой тон как cos(Ωt), то произведение раскладывается на сумму косинусов суммарной и разностной частот, то есть на две боковые полосы. Введя квадратурные составляющие sin вместо cos в одном из каналов и сложив результаты, получают сокращение одного из слагаемых. Знак суммирования определяет, какая боковая полоса останется. Камень преткновения здесь широкополосный фазовращатель: повернуть фазу строго на девяносто градусов нужно во всей звуковой полосе от трёхсот до трёх тысяч герц, и любая фазовая или амплитудная погрешность сразу ухудшает подавление зеркальной полосы. Именно сложность точного фазовращателя долго удерживала фазовый метод от массового применения, хотя он избавляет от дорогого кварцевого фильтра.

Насколько именно ухудшается подавление, поддаётся точному расчёту, и это важно для настройки. Степень подавления зеркальной полосы при фазовой погрешности Δφ и относительной амплитудной разбалансировке каналов связана с ними выражением, дающим для чисто фазовой ошибки величину подавления около 20×log(tg(Δφ/2)) по модулю. Из этой зависимости следуют отрезвляющие числа: фазовая ошибка в один градус даёт подавление зеркалки всего около сорока одного децибела, ошибка в три градуса роняет его до тридцати одного децибела, а пять градусов оставляют жалкие двадцать семь. Амплитудный разбаланс действует похоже: расхождение каналов на один процент по амплитуде ограничивает подавление примерно сорока шестью децибелами. Для приличного сигнала нужно держать обе погрешности в узде, и потому фазовый метод требует прецизионных компонентов и тщательной настройки, тогда как кварцевый фильтр обеспечивает шестьдесят и более децибел подавления почти без подстройки.

Энергетический выигрыш в цифрах и понятие пик-фактора

Главное преимущество однополосной модуляции, экономию мощности, тоже стоит выразить количественно. В амплитудно-модулированном сигнале при стопроцентной глубине модуляции на несущую уходит две трети полной мощности, а на обе боковые полосы вместе лишь одна треть, причём полезной информации несёт каждая из двух полос по одной шестой. Передатчик с однополосной модуляцией концентрирует всю мощность в единственной информативной полосе, отчего выигрыш по эффективной мощности достигает восьми-двенадцати децибел против равного по пиковой мощности амплитудного передатчика. Восемь децибел это более чем шестикратный выигрыш по мощности, и именно он объясняет, почему однополосная станция слышна там, где амплитудная давно потерялась в шуме.

Однополосный сигнал ставит и особое требование к линейности усилителя, выраженное через пик-фактор, отношение пиковой мощности к средней. У речевого однополосного сигнала пик-фактор высок, мгновенная мощность скачет, и усилитель обязан работать в линейном режиме класса AB или линейнее, иначе нелинейность порождает продукты интермодуляции, расползающиеся за пределы полосы и создающие помехи соседям. Это плата за эффективность: однополосный передатчик нельзя гнать в насыщение, как телеграфный, и его выходной каскад проектируют с запасом по линейности. Качество подавления интермодуляционных продуктов нормируют в децибелах ниже пиковой мощности, и для добротной аппаратуры третий порядок интермодуляции держат на уровне минус тридцать децибел и ниже.

Третьи пути и синтетический подход к формированию однополосного сигнала

Между двумя классическими способами лежит фазофильтровый метод, сочетающий частичное подавление зеркальной полосы фазовым сложением с последующей доводкой фильтром с не столь жёсткими требованиями. Широкого распространения он не получил, оставшись скорее лабораторным компромиссом.

Особняком стоит синтетический способ формирования, при котором однополосный сигнал не получают прямым преобразованием звука, а синтезируют, управляя одновременно частотой и амплитудой высокочастотного колебания по специальным законам. При верно подобранных коэффициентах модуляции на рабочей частоте сам собой складывается обычный однополосный сигнал, поступающий в антенну. Достоинства подхода весомы: сигнал можно сформировать сразу на сколь угодно высокой частоте без переноса, побочных комбинационных частот в выходе мало, а большинство высокочастотных каскадов передатчика работают в экономичном режиме класса С с высоким КПД. Расплата строгая: недопустим относительный фазовый сдвиг между управляющими сигналами в каналах частоты и амплитуды, а амплитуды и частоты синтезированного колебания приходится воспроизводить очень точно, что предъявляет жёсткие требования к линейности характеристик модуляторов и детекторов.

Между двумя классическими способами лежит фазофильтровый метод, сочетающий частичное подавление зеркальной полосы фазовым сложением с последующей доводкой фильтром с не столь жёсткими требованиями. Широкого распространения он не получил, оставшись скорее лабораторным компромиссом.

Особняком стоит синтетический способ формирования, при котором однополосный сигнал не получают прямым преобразованием звука, а синтезируют, управляя одновременно частотой и амплитудой высокочастотного колебания по специальным законам. При верно подобранных коэффициентах модуляции на рабочей частоте сам собой складывается обычный однополосный сигнал, поступающий в антенну. Достоинства подхода весомы: сигнал можно сформировать сразу на сколь угодно высокой частоте без переноса, побочных комбинационных частот в выходе мало, а большинство высокочастотных каскадов передатчика работают в экономичном режиме класса С с высоким КПД. Расплата строгая: недопустим относительный фазовый сдвиг между управляющими сигналами в каналах частоты и амплитуды, а амплитуды и частоты синтезированного колебания приходится воспроизводить очень точно, что предъявляет жёсткие требования к линейности характеристик модуляторов и детекторов.

Демодуляция и восстановление выброшенной несущей на приёме

Самое интересное начинается на приёмной стороне. Однополосный сигнал сам по себе неразборчив, ведь несущую, относительно которой выстроены звуковые частоты, передатчик выбросил. Чтобы вернуть речь, в приёмнике несущую восстанавливают искусственно. Сигнал смешивают с колебанием специального гетеродина, в радиолюбительском обиходе его называют опорным или телеграфным, по-английски BFO. Этот гетеродин подставляет на место отсутствующей несущей собственную частоту, и в смесителе исходные звуковые частоты воссоздаются как разность.

Тут вскрывается оборотная сторона экономии: частота восстанавливающего гетеродина должна совпадать с подавленной несущей с точностью до десятков герц. Уход всего на сто герц превращает голос в неестественно высокий или гнусаво низкий, делая речь похожей на бубнёж под водой. Именно отсюда растут повышенные требования к стабильности приёмника и точная ручка расстройки, которой оператор подгоняет тембр собеседника до естественного звучания. В современных трансиверах эту функцию берёт на себя цифровой синтез частоты, удерживающий гетеродин стабильным, но физический принцип остался прежним с первых ламповых конструкций.

Однополосная модуляция оказалась тем редким случаем, когда отказ от части сигнала улучшает связь по всем фронтам сразу. Радиолюбитель, разобравшийся в балансных модуляторах, крутых фильтрах и квадратурных фазовращателях, держит в руках понимание технологии, которая десятилетиями остаётся основной для дальней голосовой связи на коротких волнах и не собирается уступать место ничему более простому.