Ларингофоны, телефоны. Основные способы модуляции колебаний. Манипуляция и импульсная модуляция в передатчиках

Ларингофоны

Ларингофоны преобразуют колебания тканей шеи оператора, расположенные около гортани, в электрические сигналы. Колебания тканей вызываются акустическими колебаниями при произношении речи. Обычно пара ларингофонов, включённых параллельно, эластичными креплениями прижимаются симметрично к шее оператора.

В качестве преобразователя механических колебаний в электрические в угольных ларингофонах используется так же угольный порошок. Но в отличие от угольного микрофона ларингофоны практически нечувствительны к акустическим шумам, что очень важно для операторов самолётных, танковых и других радиопередатчиков.

Основные детали ларингофона показаны на рис. 6.а.

Р ис.6. Угольный ларингофон:

а – конструкция (1- угольный порошок в капсюле; 2- корпус капсюля; 3- крышка; 4- мембрана с электродов; 5- контактная крышка капсюля; 6- винт; 7- контактная пружина; 8- корпус); б — условное изображение и буквенное обозначение.

Звуковые колебания тканей шеи у гортани передаются через корпус ларингофона и детали крепления на мембрану. Под действием колебаний мембраны изменяется давление между зёрнами угольного порошка, соответственно изменяется сопротивление капсюля, что приводит к возникновению переменной составляющей тока в цепи питания и, следовательно, на первичной обмотке трансформатора появится электрическое переменное напряжение – аналог речевого сообщения.

Характеристики ларингофонов несколько отличаются по своим параметрам от характеристик угольных микрофонов. Первое отличие, о чём уже говорилось выше, ларингофоны нечувствительны к акустическому шуму. Второе состоит в том, что ларингофоны хуже передают высокочастотные составляющие спектра речи из-за инерционности колебаний тканей шеи, что проявляется при возрастании частоты звука. Недостаток этот, однако, легко устраняется в усилителе.

В настоящее время в авиагарнитурах лётного состава применяются ларингофоны типа ЛА-5, ЛА-7.

Условное обозначение ларингофона показано на рис.6. б.

Электромагнитные микрофоны

Наиболее распространенными микрофонами этого типа являются микрофоны с дифференциальной магнитной системой (рис. 7).

Принцип работы электромагнитных микрофонов вообще и рассматриваемого в частности, состоит в использовании напряжения наводимого в катушках при вибрации диафрагмы под действием колебаний воздуха в канале приема. Это напряжение представляет собой электрический аналог звукового сигнала (речи).

Р ис. 7. Электромагнитный микрофон с дифференциальной магнитной системой:

а – устройство (1 – два кольцевых магнита; 2 – магнитопроводы; 3 - магнитопроводящая диафрагма; 4 – воздушный канал; 5 – воздушные зазоры; 6 – катушки); б - условное изображение.

Действительно, магнитопроводящая диафрагма замыкает магнитные потоки обоих магнитов, включенных встречно, поэтому магнитный поток в ней равен нулю. Под действием звукового давления диафрагма смещается, соответственно изменяется сопротивление магнитным потокам, что приведет к возникновению в катушках напряжений, которые складываются в фазе. Суммарное напряжение и будет электрическим аналогом действующего в приемном канале звукового сигнала.

Частотные характеристики электромагнитных микрофонов гораздо шире, чем угольных. Они охватывают диапазон от 200 Гц до 5 кГц.

В настоящее время в авиагарнитурах летного состава применяются микрофоны ДЭМШ-1А и ДЭМ1 (дифференциальный, электромагнитный, малогабаритный, шумостойкий).

Чувствительность динамических микрофонов на два-три порядка (100—1000 раз) хуже, чем у угольных. Так, если для МК-10 в максимуме частотной характеристики напряжение близко к 1 В, то у ДЭМШ-4А оно равно 0,2—1 мВ.

Во время передачи микрофон должен находиться на расстоянии 2—2,5 см от уголка губ. Этим обеспечивается одностороннее действие звука на диафрагму. Акустические шумы воздействуют с двух сторон через воздушные каналы и потому взаимно компенсируются на диафрагме, чем и объясняется шумостойкость микрофонов.

С вторичной обмотки микрофонного трансформатора звуковой сигнал подается на вход усилителя звуковой частоты, где не только усиливается до необходимой величины, но и преобразуется соответствующим образом, прежде чем будет использован для модуляции несущей.

Угольный микрофон

Микрофон состоит из корпуса и вмонтированного в него капсюля с проводниками электропитания. Устройство капсюля типа МК-ГО показано на рис. 8.а. Все металлические детали выполнены из латуни. Диаметр капсюля — 51 мм, масса — 60 г.

И зображение угольного микрофона на принципиальных схемах показано на рис. 8.б.

Рис. 8. Угольный микрофон:

а – устройство капсюля МК-10 (1 – литой корпус; 2 – электроизоляционный слой; 3 – неподвижный электрод с выводом; 4 – подвижный электрод; 5 – угольный порошок; 6 – мембрана; 7 – крышка; 8 – шайба, фиксирующая порошок в корпусе; 9 - фигурный диск; 10 – кольцо); б – условные изображения и буквенное обозначение.

Между подвижным и неподвижным электродами капсюля приложено постоянное напряжение, плюс которого подается на подвижный электрод, а минус — на неподвижный через первичную обмотку микрофонного трансформатора. Под действием звуковых волн мембрана колеблется, соответственно изменяется давление между зернами, что изменяет сопротивление порошка между электродами относительно среднего значения, именуемого динамическим сопротивлением К_д = 50 - 300 Ом.

По динамическому сопротивлению угольные микрофоны подразделяются на низкоомные (R_д = 50 Ом, I _од = 80 мА), среднеомные (R_д,=100 Ом, I _од<5О мА) и высокоомные (R_д = 150 - 300 Ом, I _од <25 мА), где I_од — постоянная составляющая тока через микрофон (ток питания).

При изменении сопротивления угольного порошка в электрической цепи питания микрофона возникает переменный ток, который создает на первичной обмотке трансформатора переменное напряжение — электрический аналог звукового сигнала, принятого мембраной.

Частотные характеристики лучших угольных микрофонов (от 300 до 3400 Гц) соответствуют диапазону спектра речи. Максимальное значение напряжения, развиваемое на первичной обмотке трансформатора, достигает 0,8 В и возрастает при увеличении напряжения питания микрофона, т. е. улучшается чувствительность микрофона, но при этом возрастают и нелинейные искажения, появляются шорох и треск. Угольный порошок может перегреться, что приводит к спеканию зерен. При уменьшении U_n, наоборот, чувствительность ухудшается, но уменьшаются шумы, улучшается частотная характеристика микрофона. Максимальное значение звукового давления ограничивается уменьшением динамического сопротивления, а минимальное — маскирующим акустиче­ским шумом.

Угольные микрофоны широко применяются в наземных радиостанциях и в телефонных аппаратах. В самолетных передатчиках применение их ограничено из-за сравнительно больших габаритов и подверженности шумам.

Амплитудная модуляция

Амплитудной модуляцией (AM) называется процесс изменения амплитуды несущей по закону модулирующего сигнала. В авиационных передатчиках AM осуществляется электронным способом в ГВВ или в АГ. Устройство для осуществления модуляции называется модулятором.

Непременным условием эффективной AM должно быть значительное превышение несущей частоты над высшей частотой модулирующего сигнала (f>F_max).

Для упрощения математического анализа и графических иллюстраций принято рассматривать случай AM гармоническим сигналом одной частоты (F_min<F<F_max) с последующим распространением результатов на случай модуляции широкополосным сигналом. Положим, сигнал несущей имеет вид

u = Um cos t, (1)

а модулирующий

u_М = Um_М sin t, (2)

где  = 2f,  = 2F – соответствующие круговые частоты.

В соответствии с приведенным определением AM и принятыми допущениями выражение для амплитудно-модулированного колебания (АМК), например, для напряжения на входе антенны, будет иметь следующий вид:

u = (Um + Um_F sin t) cos t. (3)

Графическое изображение АМК, соответствующее выражению (3), представлено на рис. 9, а для отрезка времени О-t₁, где обозначено. Um min —минимальная, Um max — максимальная амплитуды АМК; Um _F — kUm м — амплитуда огибающей, пропорциональная амплитуде модулирующего сигнала (k — коэффициент пропорциональности). Для оценки спектра АМК представим выражение (3) в виде

U = Um(1 + m sin t) cos t (4,а)

или

u = Um cos t+0,5mUm sin( +)t + 0,5mUm sin( -)t, (4,б)

где m = Um_F / Um – коэффициент амплитудной модуляции (m  100 %)

Рис. 9. Амплитудная модуляция:

а – графическое изображение АМК при модуляции одним тоном; б – спектр АМК при модуляции одним тоном и m=1; в – спектр АМК при модуляции речевым сигналом.

Из выражения (4,б) следует, что АМК является суммой колебаний трех частот: ω, ω +  и ω – . Спектр АМК для этого случая изображен на рис. 9. б, на рис. 9. в показан вид спектра при модуляции сложным сигналом, когда колебания разностных и суммарных частот образуют нижнюю (НБП) и верхнюю (ВВП) боковые полосы.

Анализ спектра показывает, что для неискаженного прохождения АМК по тракту передатчика необходима полоса пропускания не менее Пf — f_min —f_max = 2F_max.Выполнение этого требования обеспечить тем легче, чем сильнее неравенство f > F_max. Это дает право считать эквивалентное сопротивление нагрузочной системы одинаковым для всех составляющих спектра (R_hc = const).

Радиопередача рассмотренного АМК называется двухполосной.

Методы ЧМ и ФМ. Частотные и фазовые модуляторы

Известны два метода осуществления ЧМ и ФМ. прямой и косвенный, каждый из которых объединяет определенное количество электронных схем. Прямые методы объединяют схемы, на выходе которых ЧМК или ФМК является результатом первичной модуляции, напротив, косвенные методы представлены схемами, в которых один вид модуляции преобразуется в другой, например AM в ФМ, ЧМ в ФМ, ФМ в ЧМ и пр.

Основными требованиями, которые предъявляются ко всем схемам указанных методов ЧМ и ФМ, являются такие, как обеспечение заданной девиации частоты или фазы, высокая стабильность средней (несущей) частоты, минимальная паразитная AM, простота реализации.

В современных передатчиках ЧМ и ФМ осуществляются в генераторах изменением реактивностей нагрузочных систем электронным способом (напряжением, током) или электромеханическим способом. Наиболее часто применяемыми реактивностями являются варикапы, ферровариометры, конденсаторы переменной емкости. Управляющие электронные схемы или электромеханические устройства совместно с управляемой реактивностью образуют модулятор.

У варикапа при изменении на нем запирающего напряжения изменяется барьерная емкость. Эта зависимость отображается вольт-фарадной характеристикой варикапа. Примерный вид ее показан на рис. 10.

Рис. 10. Вольт-фарадная характеристика варикапа

Ценными свойствами этих полупроводниковых диодов являются высокая механическая прочность, малые габариты, сохранение свойств до частот в несколько гигагерц. Благодаря этим достоинствам варикапы вытеснили реактивные лампы и преградили распространение их аналогам — реактивным транзисторам, как более сложным и менее надежным. К числу наиболее существенных недостатков варикапов следует отнести ухудшение параметров при радиоактивном облучении, недостаточную электрическую прочность.

Ферровариометр представляет собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником, магнитная проницаемость которого (μ) зависит от напряженности магнитного поля (тока в обмотках). Принципиальная схема варианта ферровариометра показана на рис. 11. а, а характер зависимости индуктивности от тока подмагничивания — на рис 11. б.

Рис. 11. Ферровариометр:

а – принципиальная схема; б – зависимость индуктивности от тока подмагничивания.

К числу достоинств ферровариометров относятся прочность, способность пропускать большие токи, большой диапазон изменения индуктивности, устойчивость параметров при радиоактивном облучении. Из недостатков следует отметить такие, как сложность, дороговизна конструкции, относительная низкочастотность. Применение ограничено частотами не более 200 МГц.

Помимо реактивностей, управляемых электронным способом, широко применяются конденсаторы переменной емкости, перестраиваемые электромеханическим путем.

Манипуляция в передатчиках.

Манипуляцией называется модуляция несущей дискретным сигналом. Соответственно различают амплитудную манипуляцию АМн, при которой изменяемым параметром является амплитуда; частотную манипуляцию ЧМн — изменяемый параметр частота; фазовую манипуляцию ФМн, при которой изменяемым параметром является фаза несущей. Частным случаем ФМн является относительная фазовая манипуляция ОФМн. Широкое применение манипуляция получила в телеграфной радиосвязи, где модулирующие дискретные сигналы имеют вид последовательности элементарных сигналов, датчиками которых может быть телеграфный ключ при ручной работе или специальная телеграфная аппаратура. В соответствии со спецификой применения АМн называют амплитудной телеграфией (AT), ЧМн — частотной телеграфией (ЧТ), ФМн — фазовой телеграфией (ФТ), ОФМн — относительной фазовой телеграфией (ОФТ).

При манипуляции каждому передаваемому символу текста (букве, цифре, знаку) ставится в соответствие определенная кодовая комбинация элементарных сигналов. При ручной работе ключом применяется код (азбука) Морзе, где каждому передаваемому символу соответствует определенная комбинация коротких (точки) и длинных (тире) прямоугольных импульсов тока (напряжения), разделенных паузами.

Характерно, что кодовые комбинации символов в азбуке Морзе имеют различную длительность, вот почему код Морзе относится к числу неравномерных кодов.

Скорость передачи кодом Морзе определяется числом передаваемых стандартных слов в минуту (N). В СССР стандартным словом являлась «Москва», составляющее 66 элементарных знаков кода. При ручной передаче достигается скорость N=20 - 25 слов. В буквопечатающей аппаратуре код Морзе не используется.

Поскольку AT является частным случаем AM (m=100%), она осуществляется теми же способами, что и AM.

Прием сигналов выполняется оператором с выхода приемника на слух. Такой канал отличается высокой помехоустойчивостью, в частности, потому, что полоса радиосигнала сравнительно узкая. Практически Пf = 3,3,N Гц.

Ручная передача кодом Морзе (телеграфным ключом) и автоматическая передача специальных сигналов предусмотрены, например, в аварийных радиостанциях летчиков KB-, MB- и ДМВ - диапазонов.

Равномерный код в отличие от неравномерного характерен тем, что все кодируемые им символы имеют одинаковую длительность. Элементарными сигналами являются положительные посылки («плюсы»), отрицательные посылки («минусы») и паузы («нули») — все одинаковой длительности.

Число используемых элементарных сигналов образует основание кода. Наиболее распространенным является двоичный (бинарный) равномерный код. Основание его состоит или из посылки («плюс», единица) и паузы («нуль»), или из «плюс» и «минус» посылок. На рис. 12, а, б показаны пятизначные комбинации элементарных символов рассмотренных вариантов двоичного кода при передаче одного и того же символа.

Скорость передачи при бинарном коде V_M определяется числом элементарных сигналов, передаваемых в секунду, V_m=1/τ = 2F_M, где τ — длительность элементарного сигнала, F_m=1/2τ — средняя частота манипуляции. За единицу скорости в телеграфии принят бод, означающий передачу одного элементарного сигнала в секунду (в СИ — с^-1 ). В буквопечатающей телеграфной аппаратуре радиосвязи скорость передачи достигает нескольких сот бод.

Полученные на выходе телеграфного аппарата кодовые комбинации импульсов используются для модуляции передатчика. Образцы осциллограмм радиосигналов при различных видах манипуляции показаны на рис. 12.

При AT (рис. 12. в) передатчик создает радиочастотный сигнал только при подаче «плюсов».

При ЧТ передатчик непрерывно генерирует радиочастотные колебания, но каждому элементу кода соответствует своя частота (рис. 12. г): положительной посылке – более высокая (f₁), отрицательной ( или паузе ) – меньшая частота (f₂). Разнос частот Fр= f₁-f₂ стандартизирован. В коротковолновом диапазоне существуют разносы 125, 200, 250, 500, 1000 Гц, которые обозначаются соответственно: ЧТ-125, ЧТ-200, и т. д.

При таких сравнительно малых интервалах разноса между частотами f₁ и f₂ необходимо применять кварцевую стабилизацию их номинальных значений. Необходимый разнос обычно формируется в возбудителе на значительно более низких частотах, чем 4 частоты излучения.

Рис. 12. манипуляция бинарными сигналами:

а – бинарный сигнал «плюс» и «минус» посылок (+1,— 1); б – бинарный сигнал из «посылок» и «пауз» (1,0); в – радиоимпульсы при АТ; г – радиосигнал при ЧТ; д – радиосигнал при ФТ; е – радиосигнал при ОФТ; ж – кодовая комбинация, соответствующая ОФТ.

В МВ-ДМВ командных радиостанциях для формирования частот посылок и пауз используется один кварцевый генератор, генерируемая частота которого понижается на 4 – 5 кГц во время паузы за счёт уменьшения ёмкости варикапов, включённых в колебательный контур.

При ФТ фаза колебаний изменяется скачкообразно в соответствии с передаваемой последовательностью телеграфного сигнала. Чаще всего применяется скачёк фазы на 180° при постоянной частоте. Осциллограмма колебания при ФТ с таким скачком фазы показана на рис.12. д.

Для варианта ОФТ, временная диаграмма колебаний для которой показана на рис. 12. е, изменение фазы на 180° происходит только в том случае, если очередной элементарный сигнал является паузой ( рис. 12. б ) или негативной посылкой ( рис. 12.г).

Для осуществления ОФТ того или иного вида телеграфный сигнал предварительно перекодируется по определённому закону.

Так, графику ОФТ (рис. 12. е) соответствует кодированный телеграфный сигнал, изображенный на рис. 12. ж.

При ФТ и ОФТ со скачком фазы на 180° в спектре радиосигнала отмечается почти полное подавление колебания несущей частоты, а мощность боковых составляющих возрастает. Это ведет к повышению помехоустойчивости, так как именно боковые составляющие являются переносчиками информации.

Худшая помехоустойчивость из рассмотренных видов присуща AT, наилучшей отличается ОФТ. Вот почему AT в авиационных РТС применяется редко. Внедрены ЧТ и ОФТ.

Импульсная модуляция.

И мпульсной модуляцией называется модуляция амплитуды несущей периодической последовательностью видеоимпульсов, которая характеризуется длительностью импульсов τ_и, величиной U_max и частотой следования F=1/T_и. Пример такой последовательности показан на рис. 14.

Рис.14. Импульсная модуляция:

1. последовательность немодулированных видеоимпульсов;

2. отрезок модулирующего сигнала (тон);

3. последовательность импульсов при АИМ;

4. последовательность импульсов при ЧИМ;

5. последовательность импульсов при ФИМ;

6. последовательность импульсов при ШИМ.

Характерно, что, если для манипуляции частота FM введена условно, в случае импульсной модуляции РИ отражает фактическое наличие импульса на интервале 7И, который отсчитывается между таковыми точками – серединами соседних немодулированных импульсов.

Изображённая на рис.14. а последовательность прямоугольных импульсов нашла наибольшее применение для модуляции СВЧ- генераторов импульсных радиолокаторах, где длительность импульсов и частоту следования выбирают в пределах

τ_и= 0,1- 10мкс; F_и= 0,1- 100 кГц.

В радиосвязи последовательность импульсов (рис. 14. а) сначала модулируется информационным сигналом и только после этого используется для модуляции несущей.

На рис.14. б показан отрезок гармонического модулирующего сигнала, а на рис. 14.в, г, д, е, приведены графики, иллюстрирующие различные виды модулирующих импульсов при импульсной модуляции.

При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) изменяемым параметром является амплитуда импульсов (рис. 14. в).

При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) изменяется частота следования (рис.14. г), а при фазоимпульсной (ФИМ) – фазовый сдвиг импульса относительно таковой точки (рис. 14. д). И при ФИМ, и при ЧИМ импульсы могут быть смещены относительно таковых точек не более чем на половину периода Т_и.

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) изменяется ширина импульсов. Возможно одностороннее и двустороннее расширение. На рис.14. е изображён график, иллюстрирующий двустороннюю ШИМ.

Для всех видов импульсной модуляции должно выполняться условие F_и>2F_max.

Спектр последовательности прямоугольных импульсов (дискретный участок его) показан на рис. 15.а для случая Т_и = 5τ_и. После модуляции видеоимпульсов около каждой спектральной составляющей появляется спектр боковых частот, определяемый видом модуляции (рис. 15.б). Спектр радиоимпульсов (рис. 15. в) теоретически бесконечен, практически в радиотрактах его ограничивают значением Пf = 2/τ_и.

Импульсная модуляция применяется преимущественно в диапазоне УКВ, так как в большинстве случаев соответствующие ей радиосигналы занимают широкий спектр частот, который нельзя втиснуть даже на КВ.

Лучшей помехоустойчивостью отличается ФИМ, худшей — АИМ.

Импульсную модуляцию широко используют в многоканальной радиосвязи с временным уплотнением. Она организуется следующим образом. Каждый передаваемый сигнал модулирует свою последовательность импульсов. Затем последовательности в определенной очередности вводятся в общий тракт передатчика, так что между импульсами одного канала размещаются импульсы других каналов, не перекрываясь. На выходе приемника импульсы разделяются по своим каналам, где и выделяется переданная информация.

В передатчиках авиационных РТС находит применение и считается перспективной комбинированная модуляция.

Комбинированной модуляцией принято называть такую модуляцию, при которой по закону модулирующих сигналов изменяются не менее двух параметров несущей. В командных самолетных MB — ДМВ-радиостанциях, например, возможна комбинированная модуляция в варианте AM — ЧТ, в РЛС применяются внутриимпульсная ЧМ и внутриимпульсная ФМ.

Колебание, одновременно модулируемое по амплитуде и частоте (AM — ЧМ) гармоническими сигналами двух частот F₁, F₂, в соответствии с выражениями 4,а должно быть записано в таком виде:

u = Um(1- m sin 2F₁ t) cos (+ sin2F₂ t)t (5)

Комбинированная модуляция может осуществляться одним и тем же модулирующим сигналом. Один из видов модуляции при: этом может оказаться сопутствующим, паразитным. Так, при ФМ наблюдается паразитная AM.

Рис. 15 Спектры сигналов при ИМ:

а – спектр последовательности видеоимпульсов; б – спектр последовательности модулированных видеоимпульсов; в – спектр радиоимпульсов