3. Радиосигналы

   1. Виды радиосигналов и их основные характеристики

Радиосигналами называют электромагнитные волны или электрические высокочастотные колебания, которые заключают в себе передаваемое сообщение. Для образования сигнала параметры высокочастотных колебаний изменяются (модулируются) с помощью управляющих сигналов, которые представляют собой напряжение, изменяющееся по заданному закону. В качестве модулируемых обычно используются гармонические высокочастотные колебания:

где ₀=2πf₀ – высокая несущая частота;

U₀ – амплитуда высокочастотных колебаний.

К наиболее простым и часто используемым управляющим сигналам относятся гармоническое колебание

,

где Ω – низкая частота, много меньшая ₀; ψ – начальная фаза; U_m – амплитуда, а также прямоугольные импульсные сигналы, которые характеризуются тем, что значение напряжения U_упр(t)=U в течение интервалов времени τ_и, называемых длительностью импульсов, и равно нулю в течение интервала между импульсами (рис.1.13). Величина T_и называется периодом повторения импульсов; F_и=1/T_и – частота их повторения. Отношение периода повторения импульсов T_и к длительности τ_и называется скважностью Q импульсного процесса: Q=T_и/τ_и.

Рис.1.13. Последовательность прямоугольных импульсов

В зависимости от того, какой параметр высокочастотного колебания изменяется (модулируется) с помощью управляющего сигнала, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

При амплитудной модуляции (АМ) высокочастотных колебаний низкочастотным синусоидальным напряжением частотой Ω_мод образуется сигнал, амплитуда которого изменяется во времени (рис.1.14):

Параметр m=U_m/U₀ называют коэффициентом амплитудной модуляции. Его значения заключены в интервале от единицы до нуля: 1≥m≥0. Коэффициент модуляции, выраженный в процентах (т.е. m100%), называется глубиной амплитудной модуляции.

Рис. 1.14. Амплитудно-модулированный радиосигнал

При фазовой модуляции (ФМ) высокочастотного колебания синусоидальным напряжением амплитуда сигнала остается постоянной, а его фаза получает дополнительное приращение Δ под воздействием модулирующего напряжения: Δ=k_ФМU_м sin_мод t, где k_ФМ – коэффициент пропорциональности. Высокочастотный сигнал с фазовой модуляцией по синусоидальному закону имеет вид

.

При частотной модуляции (ЧМ) управляющий сигнал изменяет частоту высокочастотных колебаний. Если модулирующее напряжение изменяется по синусоидальному закону, то мгновенное значение частоты модулированных колебаний =₀+ k_ЧМU_м sin_модt, где k_ЧМ – коэффициент пропорциональности. Наибольшее изменение частоты  по отношению к ее среднему значению ₀, равное Δ_М= k_ЧМU_м, называется девиацией частоты. Частотно-модулированный сигнал может быть записан следующим образом:

Величина, равная отношению девиации частоты к частоте модуляции (Δ_м/_мод = m_ЧМ), называется коэффициентом частотной модуляции.

На рис.1.14 изображены высокочастотные сигналы при АМ, ФМ и ЧМ. Во всех трех случаях используется одинаковое модулирующее напряжение U_мод, изменяющееся по симметричному пилообразному закону U_мод(t)= k_модt, где k_мод>0 на отрезке времени 0t₁ и k_мод<0 на отрезке t₁t₂ (рис.1.15,а).

При АМ частота сигнала остается постоянной (₀), а амплитуда изменяется по закону модулирующего напряжения U_АМ(t) = U₀k_модt (рис.1.15,б).

Частотномодулированный сигнал (рис.1.15,в) характеризуется постоянством амплитуды и плавным изменением частоты: (t) = ₀+k_ЧМ t. На отрезке времени от t=0 до t₁ частота колебаний увеличивается от значения ₀ до значения ₀+k_ЧМ t₁, а на отрезке от t₁ до t₂ частота уменьшается опять до значения ₀.

Фазомодулированный сигнал (рис.1.15,г) имеет постоянную амплитуду и скачкообразное изменение частоты. Поясним это аналитически. При ФМ под воздействием модулирующего напряжения

Рис.1.15. Сравнительный вид модулированных колебаний при АМ, ЧМ и ФМ: а – модулирующее напряжение; б – амплитудно-модулированный сигнал; в – частотно-модулированный сигнал; г – фазомодулированный сигнал

фаза сигнала получает дополнительное приращение Δ=k_ФМ t, следовательно высокочастотный сигнал с фазовой модуляцией по пилообразному закону имеет вид

.

Таким образом, на отрезке 0t₁ частота равна ₁>₀, а на отрезке t₁t₂ она равна ₂<₀.

При передаче последовательности импульсов, например, двоичного цифрового кода (рис.1.16,а), также может использоваться АМ, ЧМ и ФМ. Такой вид модуляции называется манипуляцией или телеграфией (АТ, ЧТ и ФТ).

Рис.1.16. Сравнительный вид манипулированных колебании при АТ, ЧТ и ФТ

При амплитудной телеграфии образуется последовательность высокочастотных радиоимпульсов, амплитуда которых постоянна в течение длительности модулирующих импульсов τ_и, и равна нулю все остальное время (рис.1.16,б).

При частотной телеграфии образуется высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой, и частотой, принимающей два возможных значения (рис.1.16,в).

При фазовой телеграфии образуется высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой и частотой, фаза которого изменяется на 180 по закону модулирующего сигнала (рис.1.16,г).