Учебное пособие 2213

2.1. Формирование радиосигналов с амплитудной манипуляцией

Передача дискретной информации методом амплитудной манипуляции (АМ) или амплитудная телеграфия (АТ) явилось исторически первым способом в радиосвязи.

Обозначим через длительность элементарной посылки, т.е. длительность прямоугольного импульса или пауза между импульсами [9]. Рассматривая манипуляцию как модуляцию несущего сигнала прямоугольной формы, получаем выражение для частоты повторений импульсов: F=1/2 =0.5 В. Если длительность импульсов и пауз равны, то в спектре импульсной последовательности будут только не четные гармоники частоты повторений 3F, 5F и коэффициенты разложения в ряд Фурье 0=0.5; n=sin(0.5n )/n , где n=1,3,5,….

Спектр радиочастотных колебаний при прямоугольной амплитудной манипуляции точками и паузами равные длительности приведен в [9] . Спектральные составляющие по амплитуде убывают медленно. Так, при n=31 31=0,01, если ограничится амплитудами такого порядка, то при В=200 Бод ширина спектра составит 6 кГц. Фактически спектр получается уже благодаря отличию формы реальных импульсов от прямоугольной, что обусловлено влиянием паразитных емкостей и применением в аппаратуре специальных сглаживающих фильтров, ограничивающих полосу частот модулирующих импульсов.

На рис. 2.1 приведена одна их схем амплитудной манипуляции. На транзисторе VT1 выполнен радиочастотный усилитель, в котором должна осуществляться амплитудная манипуляция. Напряжение смещения на базе VT1 изменяется с помощью электронного реле, собранного на транзисторе VT2. Когда телеграфный ключ К разомкнут (кнопка не нажата), на базе VT2 напряжение смещения равно нулю и поэтому этот транзистор заперт. При этом на VT1 подается

31

запирающее напряжение от источника Еп, величина которого зависит от параметров элементов делителя напряжения R1,R2.

Рис. 2.1. Принципиальная схема АМ манипулятора

Поэтому транзистор VT1 заперт, а напряжение радиочастоты на выходе каскада отсутствует. При нажатом ключе К на базу VT2 с делителя R3,R5 подается отпирающее напряжение. Транзистор входит в насыщение и малым входным сопротивлением насыщения шунтирует резистор R2. Напряжение смещения на базе VT1 уменьшает практически до нуля, что обычно достаточно для каскада радиочастоты, работающего с углом отсечки =900. На выходе усилителя появляется импульсное напряжение (телеграфная посылка).

Реальные импульсы отличаются от прямоугольных, прежде всего, за счет искажений, возникающих при большой постоянной времени в цепи манипуляции. Эти искажения обусловлены переходным процессом в фильтре источника питания коллекторной цепи и могут привести к провалу в импульсе, так называемому дроблению. Следовательно, параметры цепей, фильтра и т.п. должны учитывать наличие передатчика режима амплитудной манипуляции.

В настоящее время амплитудная манипуляция применяется редко в качестве дополнительного способа

32

управления колебаниями. Это обусловлено ее низкой помехоустойчивости.

Амплитудная телеграфия или излучение А1А, обладает низкой помехоустойчивостью и в настоящее время еще остается как резервный простейший вариант радиосвязи при ручной работе в некоторых системах связи (морская подвижная связь).

2.2. Частотная манипуляция

Частотная манипуляция (ЧМ) или частотная телеграфия (ЧТ) заключается в скачкообразном изменении частоты несущего гармонического колебания в соответствии с телеграфным кодом. В связи с тем, что при ЧМ пауза стала активной, то ЧМ иногда называют работой с активной паузой. При этом символу “I” соответствует одна частота f1, а символу “0” – другая f2. Такая манипуляция может рассматриваться как частный случай ЧМ со средней частотой f0 = (f1 + f2)/2, частотным сдвигом ∆f = (f1 - f2)/2 и

прямоугольной формой импульсов. С увеличением разности частот увеличивается помехоустойчивость радиоканала, однако одновременно расширяется и занимаемая полоса частот.

Сигнал ЧТ, как и при аналоговом ЧМ колебании, оценивается величиной девиации частоты. Амплитуды спектральных составляющих манипулированного сигнала зависят от индекса частотной манипуляции mч = ∆f / Fm, зависящего от скорости телеграфирования. При тональной телеграфии, когда скорость телеграфирования невелика, величина mч находится в пределах от 1 до 2.

При таких небольших значениях девиации частоты важным для ЧМ является вопрос обеспечения стабильности

33

частоты fср = 0,5 (f1 + f2) и величины девиации частоты. Аналитическое выражение радиосигнала с ЧТ имеет следующий вид

Из выражения (2.1) следует, что максимальная амплитуда боковых частот получается. когда mч – целое число. В этом случае, при больших значениях mч, амплитуды боковых частот пропорциональны 1/n2, т.е. уменьшаются значительно быстрее, чем при АМ. Так при частоте FM = 100 Гц и девиации частоты ∆f = 500 Гц полоса частот, включающая составляющие спектра с уровнем 1 % и более по отношению к максимальной частоте, образующих полосу частот спектра ЧМ сигнала, равна 3,6 кГц. При этом полоса сигнала с АМ равна кГц.

При ЧМ с резкими скачками частоты от f1 до f2 и обратно спектр сигнала имеет большое число составляющих, которые не попадают в полосу радиоканала, и создают большой уровень внеполосных излучений. Для обеспечения электромагнитной совместимости радиосредств требуется подавление внеполосных излучений радиопередатчика до – 60…80 дБ, а в отдельных случаях ниже – 100…120 дБ. Поэтому при ЧМ необходимо принимать меры по ограничению внеполосных спектров. Это можно достичь, если при формировании сигнала ЧМ изменять частоту не скачком, а

34

плавно, в течение некоторого времени (длительности фронта)

ф ≈ (0,1…0,15) э; э – длительность элементарной посылки. Согласно рекомендациям МККР эффективная ширина

спектра реального сигнала ЧМ при 1,5 < mч < 7 определяется соотношением

Формирование ЧМ сигнала можно осуществить путем переключения двух независимых кварцевых генераторов Г1 и

Г2 (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структурная схема частотного манипулятора

Однако при этом имеют место скачки фаз до 180° в моменты коммутации, что приведет к возрастанию внеполосных составляющих. Этот недостаток можно устранить, применив деление сигнала в N раз. При достаточно большом N≈ 100…150 скачки уменьшаются до ≈ 1,2…1,8°, но одновременно понижается и частота несущей. Дополнительно внеполосные составляющие ослабляются полосовым фильтром (Ф). Скачки фазы можно устранить, применив схему, в которой частоты f1 и паузы f2 образуются как боковые составляющие спектра АМ сигнала при модуляции колебания несущей частоты f0 сигналом частоты f’ = ∆f .При этом

35

моменты переключения частот синхронизированы частотой f’. Поэтому коммутация происходит в моменты прохождения сигнала через 0.При этом спектр становится более узким по сравнению с тем, получается определении по формуле (2.1) .

Более совершенным оказывается формирователь ЧМ сигнала (рис. 2.3), где применен манипулятор, выполняющий более сложные функции, чем в предыдущих вариантах, - так называемый блок-формирователь фронта (БФФ). Назначение остальных элементов довольно очевидно. Изменение выходной частоты происходит за счет изменения коэффициента деления ДПКД с N1 на N2 под действием сигнала с выхода 2 БФФ.

Рис. 2.3. Структурная схема формирователя ЧМ с малым уровнем внеполосных излучений

При этом могут устанавливаться одно или несколько промежуточных значений Nпр (N1 <Nпр<N2), что сглаживает резкие скачки частоты, либо в этой же схеме с выхода I от БФФ подается сигнал, размыкающий ключ К, т.е. отключающий на некоторое время систему АПЧ,а с выхода 3 поступает импульс, управляющий частотой ГУН в нужном направлении, чем и обеспечивается необходимая скорость

36

изменения частоты. За это же время коэффициент деления частоты ДПКД доводится до нужного значения N2, и затем ключ К замыкается. Благодаря отсутствию скачков фазы и плавному изменению частоты резко снижаются уровни внеполосных излучений. При небольшом усложнении БФФ рассмотренное устройство может формировать и сигналы двойного частотного телеграфирования (ДЧТ). В данной схеме сложно независимо менять выходную частоту fвых и сдвиги частоты ∆f. Формирование сигналов ЧТ и ДЧТ непосредственно на рабочей частоте передатчика способствует уменьшению побочных продуктов излучения.

Возможно структурная схема возбудителя (рис. 2.4), содержащая опорный генератор (ОГ) Г1, генерирующий стабильное (опорное) колебание, а также генератор управляемый напряжением (ГУН) Г2, частота которого fвых стабилизируется системой ФАПЧ, содержащая делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Эталонный сигнал поступает со стабильного генератора (ОГ) через делитель с постоянным коэффициентом деления m.

Рис. 2.4. Структурная схема формирователя на основе СЧ

37

При работе схемы в режиме синхронизма должны выполняться условия:

f1/m = fвых/n,

fвых = fн=f1nн/m при нажатии кнопки, fвых = fп=f1nп/m при паузе,

f1(nп - nн)/m = 2∆f – сдвиг частоты;

f1(nп + nн)/2m = f1n0/m = f0 – значение частоты без манипуляции.

Так как выходной сигнал формирует ГУН, то имеет место ЧТ без «разрыва» фазы, а заданный сдвиг частоты обеспечивается изменением коэффициента деления ДПКД с nп на nн.

На практике широко используется двойная частотная тональная телеграфия (ДЧТ), при которой частота колебаний передатчика принимает четыре значения, отличающиеся друг от друга на не которую величину (порядка 1кГц) в зависимости от сочетания символов в каналах [9].

В этом случае мощность, приходящаяся на канал, не уменьшается, но расширяется полоса частот, занимаемая передатчиком. Достоинством ДЧТ является то, что при использовании равномерных кодов можно избежать уменьшения длительность посылок и, вследствие этого, обеспечить некоторый выигрыш по занимаемой полосе частот. Схема формирователя сигнала ДЧТ аналогична схеме формирования ЧТ сигнала (рис. 2.3).

2.3.Фазовая манипуляция

Внастоящее время в системах радиосвязи при передаче дискретной информации широко используется фазовая

модуляция или манипуляция (ФМ), которая является

38

оптимальной когерентной системой передачи бинарных сигналов.

По сравнению с ЧМ она обеспечивает двух кратный выигрыш по мощности и примерно такой же выигрыш по полосе частот, занимаемой сигналом. Важным преимуществом ФМ также является возможность передаче на одной несущей двух независимых сообщений без дополнительного расширения полосы частот. Достоинства ФТ были известны давно, однако трудности в определении начальной фазы сигнала долгое время не позволяли использовать этот вид модуляции на практике.

Фазовая манипуляция заключается в скачкообразном изменении фазы несущего гармонического колебания в соответствии с передаваемым сигналом.

Фазовая манипуляция оценивается, как и фазовая модуляция индексом модуляции mФ = ∆θ . При фазовой манипуляции по закону изменения частоты манипуляции изменяется скачком фазовый угол несущего колебания, при этом его изменение вызывает изменение частоты. Выражение спектра для θмакс = π/2, когда скачек фазы равен π имеет следующий вид

Следует отметить, что в спектре ФМ колебания имеются боковые частоты только нечетных порядков. Амплитуда несущей и боковых частот зависят от индекса модуляции (манипуляции). При =π/2, когда скачек фазы равен

39

π, колебания с несущей частоты и боковыми индексами нечетного порядка нет.

При ФМ принципиально возможны два способа передачи сигналов: фазовая модуляция и фазоразностная. В случае абсолютной ФМ , когда фаза ВЧ колебания скачком изменяется на π, Однако для определения того, какой из двух сигналов передан, необходимо определить начальную фазу φ0 сигнала.

Одна из возможных схем фазовой модуляции, выполненная на кольцевом диодном модуляторе, приведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема фазового модулятора

Вэтой схеме на зажим «Вход» подается ВЧ колебание,

ана «Вход М» сигнал манипуляции в виде посылок разной полярности. В результате поочередно открываются либо диоды VD1, VD2, либо VD3, VD4. При этом на первичной обмотке трансформатора Т2 образуется ВЧ сигнал с начальной фазой 0 или π, который передается на выход устройства, т.е. образуется ФМ с π - модуляцией.

40