Глава 1. Радиотехнический канал передачи

ИНФОРМАЦИИ

Источником излучения электромагнитной энергии является передатчик. Если канал используется для передачи информации, то радиопередатчик вырабатывает радиосигнал, содержащий сообщение отправителя.

Электромагнитная энергия к источнику сообщения и к приемному устройству поступают по линиям передачи электромагнитной энергии, представляющим собой среду распространения радиоволн (атмосфера, вода) или специальные устройства для передачи радиоволн (волноводы, коаксиальные и аксиальные кабели и т.п.).

Прием радиосигналов, их обработка и выделение содержащейся в них полезной информации осуществляется с помощью приемного устройства, с выхода которого информация поступает в выходное устройство, где преобразуется в форму, удобную для получателя.

Все элементы канала в общем случае работают в условиях действия помех (рис.2).

среда

Источник Линия Приемное Выходное

сообщения передачи устройство устройство

сигнала

Источник Линия Источники Получатель

эл - магнитной передачи помех сообщения

энергии эл - магнитной

энергии

Рис.2 Канал передачи в условиях воздействия помех

Передающие устройства

Источники излучения электромагнитной энергии могут работать в непрерывном или импульсном режиме. Они характеризуются средней частотой излучаемых колебаний f₀ и средней мощностью излучения Р_ср.

Основным элементом радиопередатчика является генератор колебаний высокой частоты (ГВЧ), преобразующий постоянный ток источника питания в переменный ток высокой частоты для питания антенны. ГВЧ могут быть однокаскадные и многокаскадные, состоящие из возбудителя и каскадов усиления, а иногда и из каскадов умножения частоты.

Спектр полезных сигналов, которые должны быть переданы по каналу, находится в области относительно низких частот (0 – 5 МГц). Поскольку радиосвязь возможна только на высоких частотах, необходимо «сигнал» передвинуть в область высоких частот.

Такое преобразование называется модуляцией, и осуществляется оно с помощью модуляторов.

В процессе модуляции изменяется амплитуда, частота, фаза или форма высокочастотного сигнала по законам изменения передаваемого полезного сигнала. В зависимости от изменяемого при модуляции параметра модуляция может быть амплитудной, частотной или фазовой. Если изменяется форма полезного сигнала при импульсной передаче сообщений – модуляция может быть амплитудно-импульсной, частотно-импульсной, широтно-импульсной и фазово-импульсной. Если параметры модулирующих видеоимпульсов остаются постоянными, а меняется частота или фаза ВЧ колебаний внутри импульса, то имеем внутриимпульсную частотную или фазовую модуляцию. Виды модуляции представлены на рис. 3.

Примем для простейшего случая: s(t)=U_mcost.

Имеется высокочастотное синусоидальное колебание где U₀, ₀ и ₀ – соответственно амплитуда, частота и начальная фаза. Для передачи низкочастотного колебания s(t) c помощью амплитудной модуляции амплитуда высокочастотного сигнала получает приращения, пропорциональные s(t).

Выражение для амплитудно-модулированного высокочастот-ного колебания записывается в виде: .

Преобразовывая, получим

,

где k_m – величина, определяющая глубину модуляции;

m = коэффициент модуляции.

Для исключения искажений полезного сигнала (пере-модуляции) коэффициент модуляции не должен превышать 1. На практике выбирают m = 0,4 – 0,6.

Как видим, низкочастотный сигнал входит сомножителем, а не слагаемым, что исключает его выделение с помощью фильтра. Для извлечения полезного сигнала в приемном устройстве необходима обратная операция, называемая детектированием.

s(t) t

Амплитудная модуляция

t t

Частотная модуляция

t

Фазовая модуляция

t

АИМ

U₀ t

_и

Т_и

ШИМ

t

КИМ

t

Рис.3 Виды модуляции

Для исключения искажений полезного сигнала (перемодуляции) коэффициент модуляции не должен превышать 1. На практике выбирают m = 0,4 – 0,6.

Как видим, низкочастотный сигнал входит сомножителем, а не слагаемым, что исключает его выделение с помощью фильтра. Для извлечения полезного сигнала в приемном устройстве необходима обратная операция, называемая детектированием.

При фазовой модуляции приращение, пропорциональное s(t), получает фаза

где k_ф – постоянная величина. Высокочастотный фазово-модулированный сигнал для принятого ранее значения s(t) имеет вид:

Максимальное изменение фазы называется индексом фазовой модуляции. Величина обычно значительно больше 1.

Фазовая модуляция сопровождается изменением частоты.

Известно, что частота . Для нашего случая

где - максимальное отклонение мгновенного значения частоты от несущей.

При частотной модуляции изменяется несущая частота где - постоянная величина.

, где - девиация частоты (максимальное частотное отклонение).

Мгновенное значение фазы

Таким образом, частотно-модулированный сигнал может быть представлен в виде:

где - индекс модуляции (максимальное дополнительное изменение фазы).

Как видим, выражения совпадают с точностью до начальной фазы.

При синусоидальном сигнале частотно- и фазово-модулированные сигналы одинаковы. При других законах изменения s(t) будут определенные различия. При фазовой модуляции индекс модуляции , т.е. и не зависит от частоты сигнала, а пропорциональна амплитуде и частоте модулирующего сигнала.

При частотной модуляции величина обратно пропорциональна , а от частоты не зависит.

Графики соотношений частоты, амплитуды, девиации частоты и индекса модуляции представлены на рис. 4.

ФМ

ФМ, ЧМ ЧМ ФМ

ЧМ

U_m  

Рис. 4. Фазовая и частотная модуляция

Рассмотрим АМ колебания. С помощью тригонометрических преобразований видно, что уравнение АМ колебаний представляет три слагаемых, каждое из которых является вполне самостоятельным колебанием, не зависящим от других:

Эти колебания называются нижней боковой, несущей и верхней боковой составляющими.

Векторная диаграмма несущей и боковых частот при АМ представляет сумму трех векторов: вектора несущей составляющей c амплитудой U₀, вращающегося с частотой , и двух векторов, выходящих из вершины этого вектора, с амплитудой каждый, вращающихся с частотой . Как видно из векторной диаграммы (рис.5), при амплитудной модуляции изменений частоты и фазы сигнала не происходит.

Рис.5 Векторная диаграмма при амплитудной модуляции

Рассмотрим максимальную, минимальную и среднюю мощность АМ колебаний.

где Р_нес= - мощность несущего колебания, выделяющаяся на некотором сопротивлении R.

Максимальная мощность при m=1 P_max= 4 P_нес

Минимальная мощность при m=1 P_min= 0

Средняя мощность равна сумме мощностей всех составляющих спектра.

При модуляции гармоническим колебанием

При m=1 средняя мощность равна 1,5 мощности несущего колебания.

Заметим, что информативная часть передаваемой мощности составляет всего 33% от всей средней передаваемой мощности.

С целью экономии веса и мощности источников питания в авиационных средствах связи применяются методы балансной модуляции и выделения одной боковой составляющей.

При модуляции гармоническим колебанием балансно-модулированное колебание определяется уравнением:

,

т.е. в нем отсутствует колебание несущей частоты.

Если перед балансным модулятором установить устройство, изменяющее фазу на 90˚, мы получим балансно-модулированное колебание, определяемое уравнением:

Складывая эти два колебания, получаем результирующее напряжение для однополосной модуляции (ОМ):

.

Рассмотрим связь между исходным сигналом источника S(t) и однополосным сигналом.

Сигнал S(t) представим в виде S(t) = U(t)cos(t), где U(t) – амплитуда, а (t)- фаза сигнала.

Тогда

Из этого выражения следует:

• колебание, содержащее одну боковую полосу, есть колебание с амплитудной и фазовой (частотной) модуляцией;

• мгновенная амплитуда однополосного сигнала с точностью до постоянного множителя воспроизводит мгновенную амплитуду модулирующего колебания;

• изменение частоты однополосного сигнала относительно несущей частоты равно мгновенной частоте модулирующего процесса, так как .

К достоинствам каналов связи с ОМ относятся: значительное снижение мощности (=100%) и сужение полосы пропускания в два раза по сравнению с АМ. Это в два раза повышает чувствительность приемника. Вследствие эффективного использования мощности передатчика и повышения чувствительности приемника общий энергетический выигрыш канала с ОМ по сравнению с каналом АМ повышается в 8 раз. Следовательно, при одинаковой средней мощности передатчика дальность уверенной связи в системах с ОМ может быть в (2, 83) раз большей, чем в системах с АМ.