Лекция 28

Особенности однополосной модуляции (ОМ). Преимущества ОМ над АМ и её энергетическая эффективность. Методы формирования однополосного сигнала, их сравнение. Применение ОМ для многоканальной работы. Особенности многоканальной работы.

Спектр колебания, модулированного по амплитуде одним тоном с частотой Ω, состоит из трёх гармонических составляющих: несущего колебания с частотой ωи колебаний боковых частот – верхней (ω+ Ω) и нижней (ω– Ω). Выражение, например, амплитудно-модулированного анодного тока имеет вид:¹

, (28.1)

где I_А1Н– амплитуда первой гармоники анодного тока в режиме несущей частоты (молчания);m– коэффициент модуляции, прямо пропорциональный амплитуде модулирующего сигнала.

При модуляции сложным сигналом боковые частоты образуют боковые полосы. В дальнейшем мы будем говорить об одной боковой полосе, подразумевая под Ω = 2πFполосу модулирующих частот.

Если посмотреть на выражения для колебаний каждой из боковых частот (полос) в (28.1), то можно видеть, что информация об амплитуде модулирующего (информационного) сигнала заключена в амплитуде каждого колебания боковой частоты, куда она входит через коэффициент модуляции m, а информация о частоте модулирующего сигнала Ω заключена в частоте каждого бокового колебания: каждая боковая частота отличается от несущей частотыωна величину частоты модуляции Ω. Из рассмотрения колебания боковой частоты (полосы) следует, что у него по закону модулирующего сигнала изменяются амплитуда и фаза. Именно поэтому однополосную модуляцию иногда называютамплитудно-фазовой модуляцией.²

При однополосной модуляции (ОМ) осуществляется подавление в передатчике колебаний несущей частоты и одной боковой полосы.³Соответственно излучается оставшаяся боковая полоса. Занимаемая при этом передатчиком полоса частот сокращается в 2 раза.

Если при «обычной» амплитудной модуляции (АМ) огибающая промодулированного колебания (28.1) воспроизводит форму модулирующего сигнала, то огибающая однополосного сигнала совсем не похожа на модулирующий сигнал. Это легко уяснить из рассмотрения модуляции одним тоном. При АМ (в спектре имеется несущая и две боковые частоты) огибающая высокочастотного сигнала с частотой ω, как уже отмечалось, воспроизводит форму модулирующего сигнала: гармонический сигнал с частотой Ω (см. рис.24.1, лекция 24). Огибающая колебания одной боковой частоты (ω+ Ω) или (ω– Ω) представляет при этом горизонтальную прямую.

Очевидно, если передатчик излучает колебание одной боковой полосы (ОБП), то для выделения полезного (информационного) сигнала потребуется восстановление на приёмном конце колебания несущей частоты. Разница между несущей частотой ωи частотой принятого сигнала даст знание о частоте информационного сигнала Ω . Знание об амплитуде информационного сигнала следует из амплитуды принятого сигнала. Таким образом, приём сигналов ОБП возможен на специальные приёмники.

Эффективность передачи на одной боковой полосе (ОБП)

Вопрос об эффективности однополосной передачи удобно рассмотреть путём оценки эквивалентного выигрыша в мощности при передаче, получающегося в результате перехода на передачу и приём с двух боковых полос на одну.

Для большей наглядности рассуждений предположим, что АМ осуществляется с коэффициентом модуляции m= 1. Максимальное изменение амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока, определяющее эффект на приёмном конце, при этом равно I_~= mI_{А1Н, К1Н}=I_{А1Н, К1Н}. Если принять, что лампа или транзистор полностью используются по мощности, то справедливо считать

, (*)

где I_{1 НОМ}– амплитуда номинального тока первой гармоники АЭ.

Если на этом же АЭ (лампе или транзисторе) реализовать генератор ОБП, то вся мощность АЭ будет отдана колебанию ОБП, определяющему эффект на приёмном конце. Соответственно в этом случае можно считать

I_~= I_{А1, К1}=I_1НОМ. (**)

Как видно из (*), (**), переход на однополосную работу даёт выигрыш по току (аналогично по напряжению) в два раза, что равносильно увеличению мощности генератора (передатчика) в четыре раза.

Например, если при двухполосной передаче мощность передатчика в режиме несущей частоты P_~Н= 200 кВт (мощность в максимальном режиме при 100% модуляцииP_~МАКС= 800 кВт), то при переходе на однополосную работу тот же эффект на приёме может быть получен при мощности передатчика 50 кВт. Это означает, что передающая антенна, фидерная система, детали мощных каскадов передатчика должны быть рассчитаны на токи и напряжения высокой частоты в четыре раза меньше по сравнению с аналогичным двухполосным передатчиком: 800 кВт : 50 кВт = 4². Габариты и вес передатчика при этом существенно уменьшаются.

Переход на однополосную работу позволяет уменьшить полосу частот излучаемых передатчиком колебаний практически в два раза. В связи с этим может быть получен дополнительный выигрыш в отношении сигнал/помеха (сигнал/шум) за счёт сужения полосы пропускания приёмника в два раза. При равномерном распределении шумов в полосе это приводит к эквивалентному выигрышу по мощности в 2 раза.

В итоге результирующий эквивалентный выигрыш по мощности за счёт лучшего использования мощности АЭ выходного каскада и сужения полосы частот излучаемых передатчиком колебаний при однополосной работе получается порядка 8.

В коротковолновом диапазоне, где работа с ОБП нашла широкое распространение для связи, выигрыш по мощности передатчика может оказаться ещё, примерно в два раза, больше. Дело в том, что при двухполосной работе в силу возможного большого различия частот составляющих спектра АМ колебания при верхних частотах модуляции в точке приёма между составляющими спектра из-за прохождения ими путей разной протяжённости (в силу специфики распространения коротких волн) нарушается фазовое соотношение, что может обусловить пропадание (замирание) сигнала. При однополосной работе излучается одно колебание и неважно по какому пути оно пришло в пункт приёма.

Таким образом, переход на однополосную работу равносилен общему выигрышу по мощности порядка 8…16 раз (9…12 дБ).

Выигрыш по мощности в 8…16 раз получается при условии, что полностью подавляются колебания несущей частоты и второй боковой полосы. Для получения такого выигрыша практически необходимо обеспечить подавление ненужных колебаний не менее, чем на 40 дБ по сравнению с излучаемым. То есть излучаемое и подавляемое колебания должны различаться по амплитуде не менее, чем в 100 раз.

В то же время, как отмечалось, для выделения информационного сигнала на приёмном конце должна быть восстановлена несущая частота. Очевидно, что несущая частота, восстанавливаемая в приёмном устройстве, должна быть строго синхронизована с частотой подавленной несущей в передатчике. Во избежание искажений тембра расхождение между значениями указанных частот не должно превышать ±10 Гц при телефонной передаче и ±(1…2) Гц при радиовещании. Такое, достаточно жёсткое, требование удовлетворяется в современных однополосных передатчиках двумя путями.

1. Колебания несущей частоты подавляются в передатчике не полностью, то есть передача производится «с остатком несущей». Остаток колебания несущей частоты составляет примерно (10…20)% от номинального значения первой гармоники анодного (коллекторного) тока лампы (транзистора). Излучаемый остаток колебания несущей частоты, называемый пилот-сигналом, образует на приёмной стороне опорный сигнал, с помощью которого производится автоматическая подстройка местной несущей частоты. Излучение остатка несущей частоты несколько уменьшает эквивалентный выигрыш по мощности по сравнению с режимом полного подавления колебаний несущей и другой боковой частоты.⁴Эквивалентный выигрыш по мощности при остатке несущей 10% получается порядка (6,5…13) раз (8,13…11,14 дБ). Значительное уменьшение эффективности однополосной передачи при рассматриваемом способе восстановления несущей в приёмнике вынуждает выбирать уровень остатка колебания несущей частоты небольшим. Однако чрезмерное уменьшение остатка несущей недопустимо, так как он может оказаться соизмеримым с шумами, что будет затруднять работу автоматической подстройки частоты гетеродина в приёмнике.

2. Применение высокостабильных автогенераторов в радиопередатчике и приёмнике. При допустимых отклонениях несущей частоты в передатчике и приёмнике (±10 Гц при телефонии; ±1…2 Гц при радиовещании), например, при центральной частоте 20 МГц нестабильность частот автогенераторов должна быть не хуже ±10^-7…0,5·10^-7при радиовещании и не хуже ±0,5·10^-6при телефонии. Необходимо иметь в виду, что уходы частот автогенераторов в передатчике и приёмнике могут оказаться противоположными по знаку, что делает требования к стабильности частот ещё более жёсткими. Современная техника получения точных частот позволяет успешно решать эту задачу (см. лекции 22 и 23). Необходимо отметить, что этот способ синхронизации подавляемой и восстанавливаемой несущих частот является наиболее перспективным, так как излучаемые передатчиком колебания состоят только из одной боковой полосы, и отпадает надобность в специальной системе АПЧ на приёмной стороне.

В современных однополосных передатчиках применяются оба способа синхронизации несущих частот.

Говоря об эффективности передатчиков с ОБП, следует отметить их высокую экономичность. Эквивалентное уменьшение потребляемой мощности передатчиком с ОБП по сравнению с «обычным» передатчиком с двумя боковыми полосами получается в среднем порядка 10. Это обусловливается тем, что мощность, потребляемая однополосным передатчиком, зависит от того, есть или нет модулирующий сигнал. Действительно, если колебание несущей частоты подавляется в передатчике полностью, то в режиме молчания (нет модулирующего сигнала) передатчик ничего не излучает, но в этом режиме он практически «ничего» и не потребляет.

Большой эквивалентный выигрыш по мощности при однополосной передаче позволяет широко использовать системы с ОБП для многоканальной связи, например, для осуществления междугородних телефонных разговоров. Существенным преимуществом подобных систем связи является уменьшение полосы излучаемого спектра в два раза, имеющее большое значение при существующей «тесноте в эфире». Профессиональные системы связи с ОБП в основном применяются в коротковолновом диапазоне.

Передатчики с ОБП применяются в телевидении для передачи сигналов изображения, так как позволяют существенно уменьшить занимаемую полосу частот радиосигналом изображения и осуществлять его эффективное усиление в каскадах радиопередатчика и приёмника.

Передатчики с ОБП применяют также для передачи программ централизованного радиовещания, когда на центральном передатчике несущая и одна боковая полоса подавляются полностью. В крупном административном или промышленном центре осуществляется приём сигнала ОБП и уже с территории этого центра радиопередача осуществляется по «обычной» системе АМ с двумя боковыми полосами и несущей.

Передатчики с ОБП широко применяются в радиолюбительской связи, позволяя осуществлять связь на дальние расстояния при малой мощности передатчика.

Способы формирования однополосного сигнала

Однополосный сигнал формируется из двухполосного АМ колебания. При этом колебания нерабочей боковой полосы и несущей частоты подавляются. Колебание несущей частоты может быть легко подавлено с помощью балансного модулятора (БМ).

Балансный модулятор⁵включает в себя, как минимум, два одинаковых амплитудно-модулируемых генератора по любой из рассмотренных нами схем осуществления АМ, работающих на общую нагрузку. Существует несколько разновидностей схем БМ. На рис.28.1,апредставлена так называемая двухтактная схема БМ, а на рис.28.1,б– двухтактно-параллельная схема БМ.

В схеме (рис.28.1,а) модулирующий сигнал подаётся на генераторы в противофазе, как в двухтактной схеме, а высокочастотный (модулируемый) сигнал в фазе. Выходы генераторов подключены к нагрузке последовательно, как в двухтактной схеме. В схеме (рис.28.1,б) модулирующий и модулируемый сигналы подаются на генераторы в противофазе, как в двухтактной схеме, а выходы генераторов подключаются к нагрузке параллельно.⁶На выходе каждого из генераторов получаем амплитудно-модулированный ток.

Пусть в схеме (рис.28.1,а) у генератора АМГ1 выходной ток

(28.1)

соответственно у генератора АМГ2 при полной идентичности схем с учётом противофазности модулирующего сигнала выходной ток

(28.2)

Результирующий ток через общий контур

(28.3)

определяется только боковыми частотами. Уровень их на выходе удвоился.

Пусть в схеме (рис.28.1,б) у генератора АМГ1 выходной ток определяется (28.1). Тогда у генератора АМГ2 с учётом противофазности модулирующего и модулируемого сигналов по отношению к АМГ1 выходной ток

Результирующий ток через общий контур

,

что совпадает с (28.3).

Очевидно, если токи одного из генераторов будут отличаться от определённых выше, то полного подавления несущего колебания не будет. Соответственно и результирующий уровень боковых частот будет отличаться от удвоенного.

При полной симметрии схемы БМ на выходе его в режиме молчания сигнал отсутствует, соответственно отсутствует колебательная мощность. А это означает, что вся потребляемая по выходным цепям АМГ мощность рассеивается на выходных электродах. Очевидно, рассеиваемая в этом режиме мощность не должна превышать допустимую.

Выше отмечалось, что АМГ балансного модулятора может быть выполнен по любой известной схеме осуществления амплитудной модуляции. То есть можно использовать модуляцию смещением (сеточную или базовую), анодную или коллекторную, анодно-экранную, пентодную. Генераторы при этом включаются по схемам рис.28.1. Вместе с тем, в технике радиопередающих устройств широкое применение получили БМ на диодах (диодные БМ).

На рис.28.2 представлена простейшая схема осуществления амплитудной модуляции с использованием диода, то есть схема диодного амплитудно-модулируемого генератора.

КдиодуДприкладываются напряжение модулирующего сигнала с частотой Ω и напряжение модулируемого сигнала с частотойω. Модулирующий сигнал выполняет роль изменяющегося напряжения смещения на диоде. При отсутствии модулирующего сигнала через диод протекает ток в виде импульсов косинусоидальной формы с частотой высокочастотного сигналаω. Колебательная система на выходе выделяет из этих импульсов ток первой гармоники неизменной амплитуды, соответствующей режиму молчания. При появлении модулирующего сигнала с частотой Ω изменяются амплитуда и нижний угол отсечки тока диода. Амплитуда импульсов тока диода изменяется в пределахi_{Д МАКС},i_{Д МИН}, как показано на рис.28.3. В соответствии с изменением амплитуды и угла отсечки импульсов тока диода изменяется амплитуда первой гармоники, напряжение которой выделяется на выходном контуре. ЁмкостьС₁на схеме (рис.28.2) создаёт путь токам высокой частоты, минуя модуляционный трансформатор. ЁмкостьС₂вместе с подключенной параллельно ей индуктивностью формирует избирательный контур, настроенный на частоту первой гармоники.

Очевидным недостатком диодного АМГ является низкий коэффициент передачи по мощности, который всегда меньше единицы, так как используемый для осуществления модуляции диод не является усилительным элементом, в отличие от ламп и транзисторов. По этой причине диодные АМГ не могут использоваться в качестве мощных каскадов, например, радиопередающих устройств, но могут использоваться на низком уровне мощности. В диодном АМГ не может быть получена 100% модуляция с хорошими качественными показателями, учитывая, что статическая ВАХ диода имеет, как правило, заметно выраженную нелинейность в своей нижней части. Очевидно также, что для получения 100% модуляции уровни высокочастотного и низкочастотного сигналов должны быть соизмеримы, что значительно увеличивает обратное напряжение на диоде, которое может превысить допустимое.⁷Более того, в диодном АМГ выходное напряжение также прикладывается к диоду (между анодом и катодом диода), как и входные напряжения, что дополнительно заставляет снижать величины рабочих напряжений на диоде и получать меньше мощность выходных колебаний. Тот факт, что в диодном АМГ выходное напряжение прикладывается к тем же электродам, где действуют остальные напряжения, обусловливает их взаимодействие, что приводит к появлению различного вида комбинационных частот ±mω±nΩ, некоторые из которых оказываются вблизи рабочей частоты и соответственно искажают форму выходного сигнала.⁸В ламповых и транзисторных АМГ входные и выходной сигнал действуют на разных электродах. По крайней мере все три сигнала никогда не оказываются вместе. Это способствует уменьшения числа и уровней комбинационных частот в ламповых и транзисторных АМГ.

На рис.28.4 представлены принципиальные схемы диодных БМ, соответствующие схемам рис.28.1. Работа диодных БМ и соотношения для токов в них аналогичны рассмотренным выше. В схеме (рис.28.4.б) индуктивностиLи ёмкостиС₁разделяют токи высокой и низкой частот. Недостатком представленных схем диодных БМ (рис.28.4) является большое число комбинационных частот.

Гораздо меньше комбинационных частот получается в схеме кольцевого БМ. Кольцевой БМ может быть реализован как на активных элементах: лампах и транзисторах, так и на диодах. Так как использование кольцевых БМ в первую очередь обусловливается необходимостью сокращения на выходе комбинационных частот, число которых при использовании ламп и транзисторов, как отмечалось, не столь и велико, то кольцевые БМ на транзисторах (биполярных или полевых) применяются редко, а на лампах вообще не применяются. В основном применяют кольцевые БМ на диодах. В общем случае кольцевой БМ представляет два БМ, работающих на общую нагрузку.

На рис.28.5 представлены обобщённые схемы кольцевых БМ, реализуемых на основе БМ по схемам рис.28.1. Идея кольцевого БМ понятна из представленного рисунка.

Нетрудно видеть, что схема рис.28.5,бв чистом виде представляет параллельное соединение двух БМ. Следовательно, в отношении числа комбинационных частот она не даёт никаких преимуществ по сравнению с одним БМ по двухтактно-параллельной схеме. По сравнению с одиночным БМ в схеме удваивается уровень боковых и нежелательных комбинационных частот. Схема рис.28.5,апредставляет два БМ по двухтактно-параллельной схеме, подключенных последовательно к нагрузке, как в двухтактной схеме. Следовательно, схема объединяет в себе свойства двухтактно-параллельной схемы БМ и двухтактной схемы БМ. Именно последнее обусловливает уменьшение числа комбинационных частот, токи которых протекают через нагрузку навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Уровни боковых и остальных комбинационных частот удваиваются в схеме. Таким образом, практический интерес представляеткольцевой БМпо схеме рис.28.5,а. Именно эта схема, реализуемая на диодах, рассматривается во всех учебниках и других работах, где обсуждаются вопросы формирования однополосного сигнала.

Схема диодного кольцевого БМпредставлена на рис.28.6. На диодахД₁,Д₂выполнены АМГ1 и АМГ2 соответственно. На диодеД₄выполнен АМГ1^/, а на диодеД₃– АМГ2^/. Противофазность высокочастотного напряжения на диодахД₃,Д₄обеспечивается за счёт обратной полярности их подключения по сравнению с диодамиД₁,Д₂. Для выравнивания параметров диодов последовательно с ними включены резисторы, сопротивления которых много больше сопротивлений диодов в открытом состоянии, что улучшает линейность СМХ. За счёт этих резисторов обеспечивается также смещение рабочих точек диодов.

На рис.28.7 представлена схема кольцевого БМ на транзисторах. Противофазность сигналов, подаваемых на транзисторы в соответствии со схемой рис.28.5,а, обеспечивается трансформаторами со средними точками, что упрощает реализацию схемы. В схеме обеспечивается больший уровень полезного сигнала благодаря усилительным свойствам транзисторов и уменьшение на выходе числа мешающих комбинационных частот.

Очевидно, в схеме любого БМ для полного подавления на выходе колебания несущей частоты должна быть обеспечена полная идентичность параметров используемых нелинейных элементов: диодов, транзисторов, ламп. Труднее всего подобрать идентичные транзисторы. Для изготовления БМ применяют диодные и транзисторные сборки ⁹, а также специальные микросхемы. Применение диодных сборок или согласованных пар биполярных или полевых транзисторов позволяет обеспечить подавление несущего колебания на 35…45 дБ.

Помимо рассмотренных выше двухтактной и двухтактно-параллельной схем БМ на двух диодах (рис.28.4) и кольцевых диодных БМ на четырёх диодах (рис.28.6) известны мостовые(параллельная и последовательная) схемы БМ с применением двух и четырёх диодов. В отношении уровня полезного сигнала и числа нежелательных комбинационных частот мостовые схемы уступают рассмотренным выше, поэтому применение их ограничено и в лекции они не обсуждаются.

Основной трудностью при формировании однополосного сигнала является подавление одной боковой полосы.

Например, пусть полоса модулирующих частот (100…7000) Гц. Спектральная картина АМ колебания с несущей частотойf₀для этого случая показана на рис.28.8.

Несущая частота на выходе может быть подавлена с помощью БМ. Предположим теперь, что выделение нужной боковой полосы, например, верхней, производится с помощью фильтра. Очевидно, что в точке ана границе нижней боковой полосы затухание фильтра должно удовлетворять требуемым нормам, то есть должно быть не менее 40 дБ. Из рис.28.8 следует, что при затухании 40 дБ в точкеакрутизна ската АЧХ фильтра должна быть равной

.

Создать фильтр с использованием L,Cэлементов с подобной крутизной ската АЧХ в коротковолновом диапазоне частот (3…30) МГц, где ОМ наиболее широко применяется, практически не представляется возможным. Легко также убедиться, что отфильтровать одну боковую полосу с помощью высокочастотных контуров в этом диапазоне частот также невозможно. Действительно, пусть несущая частотаf₀= 3·10⁶Гц, а добротность контураQ= 300. Полоса пропускания такого контура по уровню 0,707 (– 3 дБ)

кГц.

Как видно, в данном примере при отклонении частоты на 5 кГц от центральной обеспечивается затухание всего 3 дБ (S_Ф= 0,6·10^-3дБ/Гц). С увеличением несущей частоты полоса пропускания контура увеличивается. Следовательно, обеспечить затухание 40 дБ на интервале в 200 Гц с помощью контуров нереально.

Таким образом, непосредственное выделение рабочей боковой полосы на интересующей несущей частоте с помощью фильтров физически не представляется возможным. Выделение спектра боковой полосы с помощью фильтров может быть произведено лишь при искусственном разнесении боковых полос модуляции. Этот способ получения однополосного колебания лежит в основе метода повторной балансной модуляции.

Рассмотрим этот и другой методы формирования однополосного сигнала.