2. Спектры сигналов

Важной характеристикой каждого сигнала является его спектр, определяющий распределение амплитуды сигнала по частотам. Математически спектр сигнала описывается спектральной плотностью, которая представляет собой преобразование Фурье от временной функции сигнала:

.

Таким образом, если известно выражение сигнала как функции времени, то можно определить его спектр. Наиболее простым является спектр гармонического колебания u(t) = U₀ cos₀t, представляющий собой одну составляющую на частоте ₀ (рис.1.17,а). Для определения частотных составляющих спектра амплитудно-модулированного сигнала u_АМ(t) = U₀ (1+ m cosΩt) cos₀t достаточно произвести простые преобразования.

u_АМ(t) = U₀ (1+ m cosΩt) cos₀t = U₀ cos₀t + U₀ m cosΩt cos₀t.

Так как , то можно записать

.

Как можно видеть, данный сигнал образован тремя слагаемыми с разными частотами: колебаниями на несущей частоте ₀ и двумя боковыми составляющими с частотами ₀+Ω и ₀–Ω. Таким образом, спектр этого сигнала состоит из трех составляющих – центральной (несущей) с амплитудой U₀, и двух боковых с амплитудами mU₀/2 (рис.1.17,б).

Рис. 1.17. Спектры колебаний: а) простого гармонического; б) амплитудно-модулированного при модуляции одним тоном

Разность частот крайних составляющих спектра называется шириной спектра Δ_сп. Ширина рассматриваемого спектра равна удвоенному значению частоты модуляции (Δ_сп =2Ω).

Управляющий (модулирующий) сигнал может иметь более сложный вид, чем рассмотренный выше. Человеческая речь, например, представляет собой случайный сигнал, заключенный в определенной полосе частот [Ω_min Ω_max]. Спектр высокочастотного амплитудно-модулированного сигнала в данном случае будет включать несущую и боковые составляющие с шириной  = Ω_max – Ω_min каждая и случайной амплитудой (рис.1.18). Ширина спектра такого сигнала равна 2Ω_max.

Рис. 1.18. Спектр амплитудно-модулированного колебания при модуляции голосом

Спектр частотно-модулированного и фазомодулированного сигналов теоретически бесконечно широк. При модуляции по синусоидальному закону с частотой  спектр включает несущую частоту ₀ и бесконечно большое число боковых составляющих, частоты которых равны ₀±n, а n принимает все целые значения от единицы до бесконечности. Однако при увеличении n амплитуды составляющих спектра быстро уменьшаются. Если считать, что ширина спектра ЧМ или ФМ сигнала ограничивается диапазоном частот, в пределах которого амплитуды составляющих спектра уменьшаются до 0,01 от амплитуды несущей, то ширину спектра (рис.1.19) можно принять равной удвоенному значению девиации частоты:

Δ_сп =2Δ_м.

Рис. 1.19. Спектр фазо- или частотно-модулированного радиосигнала при модуляции одним тоном

4. Радиопередающие и радиоприемные устройства

   1. Назначение и типовая схема передающих устройств

Радиопередающее устройство предназначено для генерации колебаний тока высокой частоты, усиления их до необходимой мощности, управления одним из параметров этих колебаний в соответствии с передаваемой информацией и излучения радиоволн.

Основными элементами, большинства современных авиационных передатчиков (рис.1.20), являются задающий генератор, буферный каскад, умножитель частоты, усилитель напряжения высокой частоты, усилитель мощности, преобразователь информации, подмодулятор и модулятор.

Рис.1.20. Типовая схема радиопередатчика

Задающий генератор вырабатывает электрические колебания высокой или сверхвысокой частоты с постоянными параметрами. Основным требованием, предъявляемым задающему генератору, является наличие на его выходе напряжения стабильной высокой частоты. Теория и опыт показывают, что задающий генератор может обеспечивать высокую стабильность частоты только при весьма малой отдаваемой мощности. Поэтому задающие генераторы передатчиков создаются, как правило, небольшой мощности.

Буферный каскад, к входу которого подводится напряжение от задающего генератора, предназначен для устранения влияния последующих каскадов на частоту задающего генератора.

Умножитель частоты повышает частоту подводимого к нему напряжения в кратное число раз и одновременно усиливает это напряжение.

Усилитель высокой частоты повышает напряжение, полученное на выходе умножителя, до величины, необходимой для нормальной работы выходного каскада.

Усилитель мощности передатчика повышает мощность электрических колебаний в антенне до величины, обеспечивающей получение заданной дальности действия радиолинии.

Модуляция по амплитуде осуществляется, как правило, в усилителе мощности или в усилителе мощности и усилителе напряжения высокой частоты одновременно. Модуляция по частоте осуществляется в задающем генераторе. Все виды модуляции происходят под действием управляющих электрических колебаний, изменяющихся в соответствии с передаваемой информацией. Преобразователем информации при передаче речи являются микрофон или ларингофоны, при передаче изображения – передающая телевизионная трубка, при передаче информации об измеряемых величинах – различные датчики.

Управляющее напряжение, создаваемое преобразователем информации, усиливается подмодулятором и подводится к модулятору. Модулятор усиливает мощность управляющих колебаний до величины, при которой получается необходимая эффективность модуляции.

Передача импульсных цифровых сигналов очень часто осуществляется с помощью автоматических телекодовых устройств. Этот способ передачи данных несколько схож с передачей телеграфной информации при помощи телеграфного ключа: при отпущенном телеграфном ключе (логический 0) оказываются выключенными отдельные каскады передатчика, и ток в антенне отсутствует. На рис.1.20 такими каскадами являются задающий генератор и буферный каскад, в некоторых передатчиках – задающий генератор и выходной каскад. При нажатии на телеграфный ключ (логическая 1) каскады передатчика включаются в работу и в антенне протекает ток высокой частоты. Как уже было сказано, процесс управления колебаниями тока при передаче телеграфных сигналов называется манипуляцией (телеграфией).