Вначале была азбука Морзе. После открытия радиоволн и способов их генерирования встал вопрос о том, как использовать их для связи. Поскольку передатчик можно было включать и выключать телеграфным ключом, то он мог передавать длинные и короткие всплески радиоволн, соответствующие длинным и коротким тире и точкам азбуки Морзе.
Приемник улавливал эти всплески и преобразовывал их в звуковые тире и точки, которые мог слышать оператор. Учитывая надежность телеграфной связи, крупные коммерческие транспортные компании, такие как Marconi's, были вполне удовлетворены. Однако операторы-радиолюбители, использующие амплитудную модуляцию (АМ) для включения звука в радиосигнал, не говоря уже о широкой публике, слушающей их, были больше заинтересованы в звуке, который можно было бы воспринимать, будь то голос или музыка. Так зародилось радиовещание.
Но почему именно АМ?
Слева вверху изображен радиосигнал с частотой 630 кГц, как он отображается на осциллографе. Если настроить отображение на осциллографе в пределах звукового диапазона, на экране будет столько циклов, что они будут выглядеть как сплошная полоса. Так выглядит немодулированный сигнал, называемый «несущей». Нижний график был добавлен для отображения звукового сигнала, который может добавляться к несущей. На изображении справа показано, что происходит с несущей 630 кГц, когда для модуляции радиосигнала используется звуковой сигнал частотой 1000 Гц. Звук заставляет уровень несущей, или ее амплитуду, увеличиваться или уменьшаться в соответствии с подаваемым звуком.
"АМ является естественной. Когда вы говорите громче или тише, вы, так сказать, изменяете амплитуду своего собственного звука"
АМ встречается и в других местах в природе. Удар молнии или искусственный электрический разряд вызывают всплеск электрического шума, который изменяется по амплитуде. Поскольку радиоприемники с AM предназначены для обнаружения изменений амплитуды, именно поэтому они подвержены помехам от таких явлений. АМ оставалась основным методом модуляции радиоволн вплоть до Второй мировой войны, причем не только для радиовещания, но и для всех видов радиосвязи.
Все старинные бытовые радиоприемники, будь то стандартные вещательные или коротковолновые, вплоть до Второй мировой войны принимали амплитудно-модулированные сигналы. В наши дни радиовещательные станции АМ ассоциируются с низким качеством звука, но так было не всегда. Дизайн приемников по-настоящему сформировался в 1930-х годах с появлением супергетеродинной схемы и усовершенствованием конструкции громкоговорителей. Грандиозные напольные консоли конца 1930-х годов, вплоть до начала Второй мировой войны, были способны воспроизводить очень качественный, даже по сегодняшним меркам, звук. Единственным исключением было то, что они были монофоническими, поскольку технологии стереофонии были еще далеки от своего развития.
Политика AM против FM
Первое упоминание о частотной модуляции (FM) встречается в статье, опубликованной Эдвином Армстронгом в 1936 году [1]. Армстронгу приписывают изобретение частотной модуляции, и он получил соответствующие патенты.
У Дэвида Сарноффа, генерального директора RCA (Radio Corporation of America - прим. перев.), были другие идеи. RCA вкладывала значительные средства в AM-радио, которое в то время было большим бизнесом. RCA не только производила радиоприемники, но и получала значительные отчисления за лицензирование различных патентов, связанных с АМ. Они также владели долей в сетях АМ-станций. Сарноффу приписывают следующие слова: «Я думал, что Армстронг изобретет какой-нибудь фильтр для удаления помех из нашего АМ-радио. Я не думал, что он начнет революцию - создаст целую чертову новую индустрию, чтобы конкурировать с RCA» [2].
Сарнофф и RCA сделали все возможное, чтобы помешать усилиям Армстронга. Сарнофф набросился на работу, опубликованную Джоном Реншоу Карсоном, исследователем из Bell Laboratories, который математически «доказал», что FM будет создавать бесконечное число боковых полос (побочных излучений) и поэтому не будет работать. Армстронг не купился на этот аргумент и продолжил доказывать, что FM действительно работает.
После того как инвесторы FM построили несколько станций в диапазоне 40-50 МГц, Сарнофф попытался убить FM во второй раз, убедив FCC, что диапазон 88-108 МГц будет гораздо лучше. Хотя его намерением было потратить деньги, которые конкуренты потратили на первоначальные усилия и передающее оборудование, план провалился, когда быстро выяснилось, что характеристики распространения радиоволн в диапазоне 88-108 МГц действительно гораздо лучше подходят для FM-вещания. Кроме того, в новом диапазоне нашлось место для гораздо большего количества станций.
Упадок качества звучания в АМ был связан скорее с регулированием, нежели со способом модуляции. Один из аспектов радио, непонятный большинству слушателей, - это концепция занимаемой полосы частот, или ширина спектра, который станция использует для передачи своего сигнала. На картинке выше - дисплей прибора, известного как анализатор спектра. Он отображает сигналы в определенном диапазоне частот. Здесь мы рассматриваем небольшой участок АМ-диапазона, от 580 до 680 кГц, каждая вертикальная линия расположена на расстоянии 10 кГц друг от друга.
Представьте, что это шкала вашего радиоприемника, где каждая вертикальная линия обозначает возможное местоположение AM-станции. На левом рисунке наша станция на частоте 630 кГц не имеет звука и занимает лишь небольшое пространство. Когда вы смешиваете два сигнала, например аудиосигнал и радиосигнал, генерируются дополнительные частоты, которые являются суммой и разностью обоих сигналов. Эти производные появляются по обе стороны от основной частоты и называются боковыми полосами.
На рисунке справа показана та же станция, модулированная музыкой, которая ограничена фильтром до 10 кГц. На самом деле станции требуется полоса частот, которая начинается от 620 кГц и заканчивается 640 кГц; другими словами, она использует в общей сложности 20 кГц спектра. Исходя из этого, следующая ближайшая станция должна быть на частоте 600 или 660 кГц, чтобы не мешать друг другу. Фактические правила FCC (Федеральная комиссия по связи США - прим. перев.) требуют разделения на расстоянии четырех каналов, что позволяет разместить ближайшие станции на частотах 590 или 670 кГц.
АМ эффективно использует спектр по сравнению с FM или ТВ, поскольку занимаемая полоса частот прямо пропорциональна частоте звукового сигнала. Обычный человек может слышать частоты от 20 Гц до 20 кГц. С возрастом верхний предел, как правило, снижается до 10 кГц. Когда в любом отдельно взятом районе было всего несколько радиостанций, они могли позволить себе модулировать звук на частотах до 20 кГц, что лучше, чем у современных FM-станций. По мере того как в эфир выходило все больше и больше станций, которые приходилось размещать все ближе и ближе друг к другу в диапазоне, они начали мешать друг другу. В конце концов FCC пришлось ограничить модуляцию до 10 кГц, чтобы они все поместились. Но это все равно было неплохо.
Примерно в 1990 году, стремясь еще больше уменьшить взаимные помехи станций АМ друг другу, FCC приняла рекомендацию Национального комитета по радиостандартам (NRSC) об ограничении АМ-звука до 7,5 кГц. Это привело к значительному снижению качества звука АМ-станций. Хотя это было приемлемо для новостей и разговоров, музыка звучала плоско и скучно.
Еще хуже то, что некоторые станции, вещающие с помощью цифрового аудиостандарта In Band On Channel (IBOC), добровольно урезали аналоговый сигнал до 5 кГц, чтобы освободить дополнительное место для "цифры". Вы можете легко определить, кто это сделал: их звук напоминает интернет-звучание первого поколения, похожее на телефонное.
FM использует гораздо большую полосу пропускания. Полоса занимаемых FM-станцией частот должна включать учитывать полосу частот звука и громкость звука, а также полосу комплексного стереосигнала. Для одного современного аналогового FM-сигнала, с помощью которого можно воспроизводить частоты до 15 кГц, требуется около 200 кГц спектра, что соответствует 20 AM-каналам или, при современной расстановке, 5-8 AM-радиостанциям. Один телевизионный канал, аналоговый или цифровой, требует 6 МГц спектра, что эквивалентно 5 целым диапазонам АМ-вещания.
Помимо качества звучания, есть и другие серьезные проблемы, с которыми сталкиваются АМ-станции.
Шум
В ранние времена помехи в основном исходили от расположенных поблизости двигателей, таких как пылесос, проезжающий электропоезд или случайная гроза. Сегодня почти все электронные устройства, компьютеры, светорегуляторы, приборы с цифровым управлением, газоразрядные и светодиодные уличные фонари и многое другое излучают шум, который может мешать приему АМ.
Дешевые радиоприемники низкого качества, такие, которые, по словам Этуотера Кента, нельзя выпускать, вносят большой вклад в эту проблему. Многие производители больше не прилагают усилий для разработки радиоприемников с качественным АМ-трактом. Избирательность и чувствительность многих из них - это откровенный позор, насколько я понимаю. Современные радиоприемники могут содержать фильтры цифровой обработки звука, которые эффективно удаляют статические помехи, если - и это очень важно - производитель захочет немного увеличить стоимость радиоприемника, чтобы добавить такой функционал.
Программное наполнение
Пытаясь сохранить финансовую жизнеспособность, многие АМ-станции прибегали к продаже эфирного времени, рекламным роликам, шок-жокеям https://en.wikipedia.org/wiki/Shock_jock или бесконечному потоку спутниковых программ.
"Цифра"
Нынешний гибрид аналога и "цифры" IBOC довольно хорошо работает на FM, но не так хорошо на AM, где приводит к сильным помехам, особенно в ночное время.
Так есть ли надежда на будущее AM?
Возможно. FCC предпринимает шаги в рамках так называемого закона о возрождении АМ. Там, где это возможно, многим АМ-станциям будет разрешено добавить небольшой FM-сигнал, чтобы покрыть часть или всю свою зону покрытия. Изменяются правила, касающиеся спектрального разделения станций, многие из которых были написаны в 1920-х годах, когда приемники были не очень избирательными. Это позволит многим станциям увеличить мощность, что поможет преодолеть некоторые проблемы с шумами. Теперь будет проще переместить станцию в район, где меньше конкурентов или где станция может обеспечить лучшее покрытие для население. В последние годы FCC ужесточила правила части 15, которые определяют лимиты уровней помех, создаваемых нерадиовещательными устройствами, такими как компьютеры. Но при нынешних бюджетах эти правила практически не соблюдаются, равно как и усилия по стимулированию производителей к производству радиоприемников, соответствующих более высоким стандартам.
Были выдвинуты и другие предложения. Избавиться от 50- и 100-киловаттных clear channel stations (станций, имеющих наивысший уровень защиты от помех со стороны других станций, особенно от сигналов, приходящих пространственной волной - прим. перев.) Изначально это было нужны для того, чтобы проникать в сельские районы Америки, где не существовало другого вещания. Теперь многие из них работают как местные станции. Кому за 200 миль нужно слышать сводки о пробках и погоде в городе, который эти станции могли бы хорошо покрывать с помощью 10 кВт? Когда мелкие станции теряют свою популярность из-за слишком сильной конкуренции, не надо выдавать им лицензии заново; лучше сократить их до количества, которое может выдержать рынок. Либо полностью переходить на цифровое вещание, либо полностью на аналоговое: гибридное вещание не оправдывает ожиданий. И, конечно, делать лучшее программное наполнение.
"Радиовещание - это технология 100-летней давности. Неплохой срок для любой технологии, но, учитывая, как много она нам дала, я бы не хотел, чтобы она ушла"
Совет коллекционера: правильно отреставрированный AM-радиоприемник 1930-х - середины 1960-х годов будет звучать лучше и, за исключением нескольких современных приемников высокого класса, работать лучше, чем большинство современных радиоприемников. Его качество звучания будет хуже только из-за урезанной полосы звуковых частот современных АМ-станций.
Ссылки:
- Armstrong, E. H. (May 1936). "A Method of Reducing Disturbances in Radio Signaling by a System of Frequency Modulation". Proceedings of the IRE (IRE) 24 (5): 689–740. doi:10.1109/JRPROC.1936.227383.
- http://fecha.org/armstrong.htm
Источник: WSHU. Примечание: оригинал статьи был опубликован в 2016 году.
Компонент комментариев CComment