Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

Изменение частоты приводит к ухудшению качества передаваемого сообщения. Так, при передаче речи снижается ее разборчивость, при передаче музыкальных программ изменяется характер звучания отдельных музыкальных инструментов, при передаче телеграфных сигналов или сигналов передачи данных увеличиваются ошибки в виде преобладаний в приемнике сигналов. Для каналов тональной частоты допускается сдвиг частоты в канале не более 2 Гц. Это сильно усложняет построение генераторного оборудования систем передачи с частотным разделением каналов.

Рассмотрим, что происходит с демодуляцией канального сигнала ОБП при расхождении генераторов несущих передачи и приема по фазе на величину ± А(р.

лов на выходе КД появится сигнал вида

cos[(2^r + Q)f ± Ad + jU.U^ COS(Of + A<p).

Сигнал на выходе фильтра нижних частот (ФНЧ) тракта приема будет иметь вид c'(t) = Uacos (Qt±A(p).

Расхождение фаз несущих частот тракта передачи и тракта приема вызывает изменение фазы всех составляющих исходного сигнала на одну и ту же величину А(р, что несущественно для приема любых сообщений. Поэтому при передачи ОБП не требуется соблюдения условия синфазности несущих частот.

Самым дорогостоящим элементом при формировании канальных сигналов ОБП является канальный полосовой фильтр. Это объясняется, с одной стороны, трудностью выполнения требований к характеристике затухания КПФ в полосах эффективного задерживания, с другой стороны, массовостью этих фильтров, их число зависит от канальности системы передачи. Для организации двустороннего телефонного канала требуются четыре канальных фильтра.

Сложность КПФ определяется шириной полосы расфильтровки между боковыми полосами амплитудно-модулированного сигнала, которая, как следует из рис. 5, б равна

А£2р = (ш + - (со - Q0 или AFP = (f + F^ - (f - F^ = 2F1( (38) здесь F, - минимальная частота первичного сигнала.

Отсутствие синхронности и синфазности несущих частот генераторов тракта передачи и тракта приема при недостаточном подавлении второй боковой полосы частот приводит к дополнительному нежелательному явлению - колебанию остаточного затухания канала ААГ. Определим зависимость ААг от отношения напряжений подавленной боковой (например, нижней) и полезной (верхней):

Из формулы (42) следует, что амплитуда сигнала изменяется во времени, принимая максимальное значение при 2АаЛ = 2тт (где п = = 0, 1,2,...)

Учитывая (45) и (43), определим величину колебаний остаточно-

Применяя разложение последнего выражения в степенной ряд

здесь Аб = 20 1д (1/кб) - затухание подавления, показывающее, на сколько децибел уровень ненужной боковой ниже уровня полезной боковой.

Из формулы (47) можно определить необходимое затухание подавления ненужной боковой полосы при допустимой величине колебаний остаточного затухания:

Например, при передаче телефонных сигналов допускается нестабильность остаточного затухания А Аг < 0,5 дБ. При этом требуется А6> 25 дБ.

Если же вместо подавленной боковой полосы частот одного канала помещается боковая полоса соседнего канала, то степень подавления ненужной полосы частот должна быть значительно выше и определяется требованиями защищенности от переходных помех.

Передача одной боковой полосы, несущей и части второй боковой полосы. Подавление ненужной боковой полосы частот с помощью фильтров возможно, если имеется полоса расфильтровки АРр [см. (38)] значительной ширины. Для телефонных сигналов эта полоса равна 600 Гц.

Однако некоторые первичные сигналы, например телеграфные, передачи данных, телевидения и фототелеграфии, имеют спектр, занимающий полосу частот от Г, = 0...50 Гц до Р2. В результате амплитудной модуляции несущего колебания первичными сигналами такого типа образуются две боковые полосы частот практически без промежутка между ними (38) и для полного подавления одной из боковых необходим идеальный канальный полосовой фильтр либо передавать такой амплитудно-модулированный сигнал в виде одной

Спектр амплитудно-модулированного колебания с асимметричными боковыми полосами при передаче нижней боковой и части верхней боковой полосы показан на рис. 11. Для формирования спектра амплитудно-модулированного сигнала в этом случае применяется фильтр с кососимметричной характеристикой коэффициента передачи относительно несущей (так называемый фильтр Найквиста). Этот фильтр в переходной области между полосой пропускания и полосой задерживания должен иметь характеристику коэффициента передачи по амплитуде, подобную показанной на рис. 12.

Таким образом, характеристика фильтра устраняет амплитудночастотные искажения, которые могли бы возникнуть вследствие передачи одних составляющих сигнала только в составе одной боковой полосы (составляющие от Г0 до Г2), а других - в составе двух боковых полос (составляющих от 0 до Г0).

Квадратурные искажения при передаче амплитудномодулированных сигналов

При передаче амплитудно-модулированных (АМ) сигналов по реальным трактам из-за отличия их постоянной передачи на частотах несущего колебания, нижней и верхней боковых полос восстановление первичных сигналов на приеме сопровождается специфическими искажениями. Рассмотрим раздельно влияние на форму канального сигнала вДО амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик трактов передачи АМ сигналов.

Для простоты предположим, что коэффициент передачи тракта на несущей частоте будет равен К (со) = 1, а на боковых частотах, соответственно, Кв = К (со + О) и Кн = К (со - £2). При этих допущениях АМ сигнал на выходе тракта передачи определится выражением:

Составляющая AM сигнала на выходе тракта A (t) cosco t, совпадающая по фазе с несущей частотой на входе тракта, называется

синфазной составляющей, а вторая составляющая вида В (t) sincot,

сдвинутая по фазе на я/2 относительно несущей, называется ортогональной, или квадратурной составляющей.

Сигнал на выходе тракта (49) можно представить в форме:

где ^A(t)2 + B(t)2 = UM(t) есть огибающая высокочастотного колебания несущей.

Подставив в формулу для огибающей величины АДОи ВДОи выполнив некоторые тригонометрические преобразования, получим

и, пренебрегая степенями выше второй, получим формулу для огибающей

Наличие второй гармоники первичного сигнала 212 (а в общем случае при учете большего числа членов разложения (52) и других гармоник) в спектре огибающей говорит о нелинейных искажениях первичного сигнала при его восстановлении при помощи линейного детектора.

Из формулы (53) следует, что нелинейных искажений не будет, если Кн = Кв = К, т.е. огибающая будет такой же, как на передаче, и в этом случае отсутствует квадратурная составляющая в выражении (49). Несимметрия амплитудно-частотных характеристик тракта приводит к появлению нелинейных искажений огибающей и, следовательно, первичного сигнала на выходе канала. Эти искажения сопровождаются появлением квадратурной составляющей модулированного сигнала на входе канального демодулятора, и можно говорить о квадратурных искажениях (по сути дела, специфических нелинейных искажениях) сигнала.

Несимметричность фазо-частотных характеристик приводит к аналогичным квадратурным искажениям, так как и в этом случае в амплитудно-модулированном сигнале появляется квадратурная составляющая. Эти искажения будут отсутствовать, если фазовая характеристика Ь (со), являющаяся нечетной функцией относительно несущей частоты со (симметрия второго рода), будет удовлетворять условию

Квадратурные искажения являются существенным недостатком методов передачи двух боковых полос и несущей и одной боковой полосы, несущей и части второй боковой полосы. Как следует из формулы (53) квадратурные искажения можно существенно уменьшить путем уменьшения коэффициента модуляции т или расширением полосы частот остатка второй боковой полосы частот при использовании метода передачи одной боковой полосы, несущей и части второй боковой полосы. Однако применение этих мер ограничивается влиянием помех, так как уменьшение т приводит к снижению помехоустойчивости, а расширение полосы часто неэкономично.

Квадратурные искажения можно полностью устранить, применяя синхронное детектирование (рис. 14).

При этом методе приема амплитудно-модулированных сигналов первичный сигнал восстанавливается в канальном демодуляторе (КД) путем перемножения канального сигнала с колебанием несущей частоты, синхронной с несущей частотой передачи. Такой метод ведет к усложнению приемника - требуется дополнительно генератор несущей частоты на приеме и система синхронизации - СС. Тем не менее, во многих случаях (например, в телевидении) это себя вполне окупает.

Рис.14. Схема передачи амплитудно-модулированного сигнала с синхронным детектированием

Рассмотрим требования, предъявляемые к точности синхронизации генераторов несущих частот оборудования передачи и приема. Предположим, что квадратурные искажения максимальны, т.е. вторая боковая подавлена полностью. В этом случае передаются несущая и одна из боковых полос, например нижняя, и канальный сигнал на выходе канального полосового фильтра (КПФ), (см. рис. 14), определяется выражением (49)

в (1) = А 0) собо^ + В (1) этой.

Перемножая канальный сигнал с синхронной несущей, отличающейся от несущей передачи только начальной фазой ср

Из последней формулы следует, что для полного устранения квадратурных искажений необходимо, чтобы ср = 0, т.е. требуется синфазность генераторов несущих передачи и приема; при этом сигнал восстанавливается без искажений

На практике допускается ср <2°; в этом случае квадратурные искажения не превышают 4 %.

Отметим, что при передаче одной боковой полосы (ОБП) квадратурные искажения практически не наблюдаются, а применение демодулятора с квадратичной характеристикой детектирования восстанавливает первичный сигнал без искажений. В этом еще одно достоинство метода ОБП.

При передаче амплитудно-модулированного сигнала с одной боковой полосой важнейшей задачей является формирование однополосного сигнала при необходимой степени подавления ненужной боковой полосы.

Л е к ц и я 9

Методы формирования одной боковой полосы. Искажения в каналах и трактах СП с ЧРК

При реализации метода передачи ОБП необходимо подавить несущее колебание и одну боковую полосу частот. Подавление несущей частоты осуществляется соответствующим выбором схем преобразователей частоты: балансной или двойной балансной (кольцевой) схемы канального амплитудного модулятора. Несущее колебание на выходе таких схем будет отсутствовать при их балансировании. Некоторое дополнительное подавление несущей частоты, которая может появляться на выходе преобразователя из-за неточности его балансировки, осуществляется канальными полосовыми фильтрами. Если по каким-либо причинам требуется высокая степень подавления несущей частоты, то применяются заграждающие или режекторные фильтры. Следовательно, проблема подавления несущего колебания при формировании АМ сигнала с ОБП трудностей не вызывает.

Подавление ненужной боковой полосы частот осуществляется фильтровым, фазоразностным или фазофильтровым методами.

Нумерация формул и рисунков является продолжением восьмой лекции.

Фильтровой метод формирования ОБП

Общая схема, реализующая фильтровой метод формирования ОБП, приведена на рис.15, а, схема частотных преобразований при этом показана на рис.15, б.

Как следует из рис. 15, а, первичный сигнал с(7), занимающий полосу частот /1РС = Р2 - Р, (см. рис.15, б), поступает на балансный канальный амплитудный модулятор (КМ), на выходе которого имеем

соответственно (см. рис.15, б). Полезная боковая полоса частот (верхняя) выделяется канальным полосовым фильтром (КПФ) (рис.15, а и б).

Рис.15. К фильтровому способу формированию ОБП

Сложность технической реализации фильтрового способа формирования ОБП обусловлена высокими требованиями к минимально допустимой величине затухания КПФ в полосе эффективного задерживания Амин (см. рис.15, б). Эта величина зависит от ширины полосы расфильтровки, которая, как следует из рис.15, б, равна

и ширины полосы частот первичного сигнала ЛРс. Практически для всех первичных сигналов полоса расфильтровки оказывается незначительной (для канала тональной частоты /1ГР = 600 Гц) и не изменяется с увеличением несущей частоты. Сложность КПФ определяется значением относительной полосы расфильтровки, под которой понимается отношение вида

С другой стороны, сложность реализации полосовых фильтров определяется крутизной характеристики затухания в переходной

Для канальных полосовых фильтров (КПФ) каналов тональной частоты величина минимально допустимого затухания в полосе эффективного задерживания (ПЭЗ) должна удовлетворять условию Амин > 60 дБ. Следовательно, крутизна характеристики затухания КПФ должна быть не менее Амин = 60/600 = 0,1 дБ/Гц.

Если т] > 0,02, то для формирования сигнала ОБП возможно использование полосовых фильтров на /.С-элементах. Опыт показывает, что изготовление КПФ с хорошими характеристиками не вызывает значительных затруднений, если добротность его элементов (прежде всего индуктивностей)