FM-радио передаёт звук небольшими отклонениями частоты несущей, а не изменением её амплитуды. Многие бытовые помехи – молния, искра выключателя, двигатель – создают прежде всего случайные скачки амплитуды. FM-приёмник ограничивает такие скачки и извлекает информацию из изменения частоты, поэтому шипение и треск слышны слабее. Практическую широкополосную систему частотной модуляции разработал американский инженер Эдвин Говард Армстронг в 1930-е годы.
Чем FM отличается от AM
У радиостанции есть высокочастотная несущая. В амплитудной модуляции её высота меняется в такт звуку, а частота остаётся почти постоянной. В частотной модуляции амплитуда сохраняется, зато расстояние между соседними колебаниями немного сокращается и увеличивается. Громкий звук вызывает большее отклонение частоты, тихий – меньшее.
Оба способа способны передать речь и музыку. Разница проявляется в занимаемой полосе, устройстве приёмника и реакции на помехи. AM экономно использует диапазон и хорошо распространяется на длинных и средних волнах. Широкополосная FM требует большего участка спектра, зато допускает более широкий звуковой диапазон и лучше переносит амплитудный шум.
Почему электрическая искра похожа на треск
Резкое изменение тока порождает короткий радиочастотный импульс. Он содержит множество частот и попадает сразу в несколько каналов. В AM-приёмнике такой импульс выглядит как внезапное увеличение амплитуды – то есть как будто передатчик на мгновение послал очень громкий звук. После детектора в динамике слышится щелчок.
FM-приёмник перед демодуляцией использует ограничитель. Он выравнивает амплитуду сильных и слабых участков сигнала. Если помеха не сдвинула мгновенную частоту достаточно сильно, её влияние уменьшается. Полностью избавиться от шума нельзя: при очень слабом сигнале или сильной соседней станции приём нарушается, но в нормальных условиях разница с AM заметна.
Кто был Эдвин Армстронг
Армстронг с юности интересовался беспроводной связью и строил аппаратуру дома. Он создал регенеративную схему, которая возвращала часть усиленного сигнала на вход и резко повышала чувствительность. Во время Первой мировой войны работал над супергетеродинным приёмником: тот преобразует выбранную станцию в постоянную промежуточную частоту, удобную для фильтрации и усиления. Этот принцип до сих пор лежит в основе множества радиоустройств.
Частотная модуляция стала его самым известным проектом. Идею изменения частоты обсуждали и раньше, но считали, что она не даёт большого выигрыша. Армстронг показал: широкое отклонение частоты вместе с правильно построенным трактом действительно улучшает отношение сигнала к шуму. В 1933 году он получил патенты и начал публичные демонстрации.
Почему FM заняла более высокие частоты
Широкая полоса одной станции требует больше места в спектре. На привычном диапазоне средних волн было тесно, поэтому FM развивалась на очень высоких частотах. Такие волны обычно распространяются в пределах радиовидимости: антенну поднимают на башню, а дальность зависит от высоты и рельефа. Они не огибают Землю так же уверенно, как длинные волны, зато позволяют разместить множество каналов и передать более широкий звуковой спектр.
Положение диапазона менялось. Регуляторные решения после Второй мировой войны перенесли американское FM-вещание на новые частоты. Старые приёмники оказались несовместимы, сети пришлось перестраивать, и развитие замедлилось. Технически хорошая система столкнулась с экономикой уже установленного оборудования.
Как приёмник извлекает звук из частоты
Антенна и настроечные цепи сначала выбирают станцию так же, как в других радиосистемах. Затем ограничитель убирает лишние изменения амплитуды. Частотный детектор превращает отклонение несущей в напряжение: частота выше средней даёт отклонение одного знака, ниже – другого. После фильтрации получается электрическая копия исходного звука.
Базовый принцип радиоприёмника сохраняется: настройка, демодуляция, усиление, динамик. Отличаются конкретные фильтры и детектор. В цифровом аппарате часть этих операций выполняется вычислениями после преобразования сигнала в последовательность отсчётов.
Почему FM хорошо подошла для музыки
Широкий канал позволяет передавать более высокие звуковые частоты. Фоновый треск меньше отвлекает на тихих участках, а система предварительного усиления высоких частот на передаче и обратного ослабления в приёмнике дополнительно улучшает слышимость деталей. Поэтому FM стала естественной площадкой для музыкальных станций.
Позднее в один FM-канал добавили стереосигнал. Обычный монофонический приёмник слышит совместимую сумму левого и правого каналов, а стереомодель выделяет дополнительную разность и восстанавливает пространственную пару. Инженерам удалось расширить возможности, не отправляя старые аппараты на свалку.
Что происходит на границе уверенного приёма
AM обычно ухудшается постепенно: к программе добавляются шипение и соседние станции, но речь ещё можно разобрать. FM известна пороговым эффектом. Пока полезный сигнал достаточно сильнее шума, ограничитель и детектор работают чисто. Ниже порога качество быстро рушится. Кроме того, при двух сигналах на одной частоте приёмник часто захватывает более сильный, подавляя слабый.
Это полезно в городе, где мощная местная станция звучит чисто, но затрудняет далёкий приём. Высокие частоты также создают зоны тени за холмами и зданиями. Поэтому качество FM – не магия, а результат удачного обмена: больше спектра и более ограниченная дальность в обмен на чистый звук.
Осталась ли идея Армстронга в современной связи
Аналоговое FM-вещание продолжает работать во многих странах, а частотная модуляция применяется в разных радиосистемах. Цифровая связь кодирует данные сложнее, но всё равно выбирает, какие параметры волны изменять и как отличать полезный сигнал от шума. Инженерная постановка задачи остаётся той же.
Интернет-радио доставляет звук пакетами и не использует FM между сервером и приложением, хотя последний беспроводной участок может идти через Wi-Fi или мобильную сеть. Переход к интернету изменил канал, но не обесценил достижение Армстронга: FM показала, что качество связи зависит не только от мощности, но и от того, как именно информация закодирована в несущей.
