книги из ГПНТБ / Гусев, К. Г. Поляризационная модуляция

и 0 независимо друг от Друга, Эти схемы являются общими для любого диапазона волн, хотя в конструк­ тивном отношении элементы модуляторов весьма раз­ личны для различных диапазонов.

z

Рис. 3.9.

Отметим особенности и наиболее рациональные обла­ сти применения этих модуляторов.

1. М одулятор типа ГГ (см. рис. 3.5). Этот модулятор может быть выполнен целиком на невзаимных гиротропных средах — ферритах. Основным его достоинством является крайняя простота. Разработанные в настоящее время типы ферритов позволяют использовать его в диа­ пазоне от дециметровых до субмиллиметровых волн. Кроме того, как сообщается в работе [48], монокристал­ лы ферритграната можно использовать для модуляции поля дальнего инфракрасного участка спектра.

Недостатком такого модулятора является не очень вы. сокая частота модуляции — единицы мегагерц на некри­ сталлических ферритах и десятки мегагерц на монокри­ сталлах.

2. М одулятор типа ЛЛ (рис. 3.8). Модулятор выпол­ нен полностью на анизотропных средах. Наиболее целе­ сообразная область применения — инфракрасный и све­

80

товой диапазоны. Это объясняется тем, что в основном

лишь для этих диапазонов разработаны достаточно на­ дежные и экономичные линотропные управляющие устройства на монокристаллах. Этот тип модулятора по­ зволяет осуществлять модуляцию сразу двух парамет­ ров поляризации с весьма высокими частотами.

3. М одуляторы типов ЛГ и ГЛ являются комбиниро­ ванными и могут быть использованы в специфических схемах. Например, основное достоинство модулятора типа ЛГ — наличие всего лишь двух элементов. Он мо­ жет быть использован в тех случаях, когда необходимо с большой скоростью менять эллиптичность поля и с ма­ лой скоростью — угол ориентации.

Рассмотренные выше схемы поляризационных моду­ ляторов могут быть использованы и как элементы антен­ ных устройств с перестраиваемыми электрическим путем параметрами поляризации.

3.5.КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ

МОДУЛЯЦИИ

В предыдущем параграфе мы рассмотрели возмож­ ные схемы поляризационных модуляторов, позволяющих модулировать непрерывными сигналами параметры по­ ляризации электромагнитной волны.

Отличительной чертой поляризационной модуляции является то, что при этом виде модуляции интенсивность радиосигнала (сумма квадратов огибающих поляриза­ ционно-ортогональных компонент) остается постоянной, так же как и его общая фаза и частота, тогда как амплитуда и фазы поляризационно-ортогональных со­ ставляющих являются функциями модулирующего сооб­ щения.

Приведенные схемы модуляторов могут быть исполь­ зованы не только для непрерывной, но и для дискретной модуляции параметров поляризации. Для дискретной поляризационной модуляции можно сконструировать и специфичные модуляторы, основанные на переключении энергии генератора высокочастотных колебаний от одно­ го преобразователя поляризации к другому.

Таким образом, как и другие виды модуляции, поля­ ризационная модуляция может быть непрерывной или

дискретной.

Непрерывная поляризационная модуляция (ПМ) различается параметрами, которые модулируются пере-

Даваемыми сообщениями, а также глубиной модуляций или величиной девиации параметров поляризации. В за­ висимости от величины девиации угла эллиптичности и угла ориентации меняется эффективная ширина спектра ПМ радиосигнала.

Как будет показано ниже, если девиация угла эллип­ тичности или (и) угла ориентации не превышает я/4, то эффективная полоса ПМ сигнала равна полосе AM сиг­ нала, и такая ПМ называется узкополосной. При боль­ ших значениях девиации параметров поляризации спектр ПМ сигнала существенно расширяется, и такая ПМ называется широкополосной. Это определение широ­ кополосное™ и узкополосности ПМ относится не только

кнепрерывной, но и к дискретной ПМ.

Взависимое™ от вида модулированного параметра поляризационной диаграммы различают модуляцию:

— угла эллиптичности; в этом случае поляризацион­ ная модуляция обозначается ПМ ;

— угла ориентации поляризационного эллипса—ПМе;

— одновременную модуляцию углов эллиптичности

иориентации ПМфд, или совмещенную ПМ.

Впоследнем случае параметры ср и 0 могут модули­ роваться либо двумя независимыми сообщениями Si(t)

ния) .

Модулируемое излучение может быть как непрерыв­ ным, так и прерывистым, импульсным. В последнем слу­ чае говорят о поляризационной модуляции импульсов (ПМИ) непрерывным процессом.

В тех случаях, когда состояние поляризации волны может в процессе модуляции принимать только дискрет­ ные значения, модуляцию называют поляризационно-им­ пульсной (ПИМ) или дискретной поляризационной мо­ дуляцией. При этом в обозначении излучаемого сигнала первые индексы относятся к модулирующему процессу (АИМ, ВИМ, ШИМ, КИМ), а последние два означают вид собственно поляризационной модуляции: ПМф ПМ0,

™ ,.е -

Классификация видов поляризационной модуляции представлена в табл. 3.1.

Табл. 3.1 не исчерпывает все возможные виды поля­ ризационной модуляции. В частности, в нее не включены

82

виды поляризационной модуляции в сопряжении с моду­ ляцией других параметров электромагнитной волны, на­ пример частоты или фазы. Некоторые из этих видов мо­ дуляции будут рассмотрены в последующих главах.

Г Л А В А 4

СИГНАЛЫ С НЕПРЕРЫВНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

уже полученным в результате этих преобразований сигналом моду­ лируют несущую частоту. Таким образом, даже при. передаче аналоговой информации применяется дискретная модуляция. Однако для анализа спектральной структуры ПМ сигналов целесообразно предварительно рассмотреть модуляцию параметров поляризации непрерывными, гармоническими колебаниями. Анализ спектров ПМ сигналов с непрерывной модуляцией позволит в дальнейшем без лишних затруднений получить и проанализировать спектры дискрет­ ной ПМ.

4.1.МОДУЛЯЦИЯ УГЛА ЭЛЛИПТИЧНОСТИ

Введем обозначения: S ( t) — передаваемое (модули­

рующее) сообщение; А<р — девиация угла эллиптичности; Фо, 0о — параметры поляризации немодулированной гар­

монической несущей.

^Интенсивность гармонической несущей полагаем рав­ ной единице, передаваемое сообщение — нормирован­ ным, без постоянной составляющей, т. е. — 1^ 5 (0 ^ 1>

3 (0 —0> где черта сверху означает усреднение по вре­

мени.

При этих условиях ПМф электромагнитная волна на двойной комплексной плоскости запишется в виде

(4.1.1)

Сигнал вида (4.1.1) можно сформировать из эллиптическиполяризованной волны е~ 1/4,0е100е;" если пропустить

последнюю, например, через линотропный модулятор, ось R которого ориентирована под углом 0О(рис. 4.1).

У

Z

Рис. 4.1.

Поляризационные диаграммы сигнала (4.1.1) для ди­ скретных значений S(t) изображены на том же рис. 4.1.

В выражении (4.1.1) величину <р0 можно отнести к по­

стоянной составляющей модулирующей функции. Если же рассматривать случай, когда постоянная составляю-

84

щая модулирующей функции равна нулю, то следует по­ ложить фО= 0. Не нарушая общности рассуждения, мож­

а

ответствующие поляризационные диаграммы для поло­ жительных и отрицательных значений ф изображены на рис. 4.2,а, б. Верхний рисунок соответствует положитель­

ным дискретным значениям ф, равным 6<я/4; л/4; л/2 — б; я/2; л/2 + б; л/2—б, нижний — тем же самым величи­

нам, но взятым с отрицательным знаком. Такие формы поляризационной диаграммы можно наблюдать у ПМ^

волны при дискретных значениях модулирующей функ­ ции S(t), если Дф —л.

На поляризационных диаграммах рис. 4.2,о, б пока-

заны также мгновенные положения вектора Е для мо­ ментов времени ^ = /гГ0(Го= 2л /т ) — сплошные векторы,

идля моментов времени ti=kT0+To/4, k = Q, 1, 2 . . . —

пунктирные векторы. Из рассмотрения рис. 4.2 можно сделать вывод, что форма поляризационной диаграммы

инаправление вращения вектора Е определяют одно­

значно угол эллиптичности только в интервале —л/4,^

^Ф ^ л /4 , т. е. при главных значениях угла эллиптично-

85

сти. При [ф ||>я/4 для однозначного определения значе­ ния ср необходимо учитывать не только форму поляриза­ ционной диаграммы и направление вращения вектора поля, ной ориентацию поляризационной диаграммы. Так, при двух значениях <р, равных б и я/2—б, форма поля­

ризационной диаграммы одинакова и определяется ве­

Следовательно, если анализатор поляризации будет фиксировать не только параметры, определяющие фор­ му, направление вращения и ориентацию, но и общую фазу эллиптически-поляризованной волны, то с помощью

2я по любому из трех параметров, если два другие счи­

тать фиксированными.

4.2.СПЕКТРЫ ПМ„, СИГНАЛОВ

Определим сначала спектр сигнала (4.1.2) при моду­ ляции угла эллиптичности-гармоническим колебанием, т. е. положим

Я = 5 -99

86

60

- Л> (А?) + £ In (А?) [е“ '/л“'+ ( - 1)” eiinst\ =* «=1

00

=Л (А?) -(- 2 [У2П (Дф) cos 2я£2/ —

П= 1

Разложив тригонометрические функции по формулам Эйлера с мнимой единицей j и умножив левую и правую

часть выражения (4.2.2) на е;“ф получим спектр ПМф

сигнала в комплексной форме в ортогонально-линейном базисе:

е = е“ “м sin м е ;Ы = /„ (А?) е/ш' +

+ f {/,п (Д<р)е7' (ш±2'ги)' - и т_, (А?) [е; [ш+ (2п- ,) 21 7-

Как следует из (4.2.3), амплитуды гармонических со­ ставляющих ПМ сигнала являются бесселевыми функ­ циями от девиации угла эллиптичности. Нулевая гармо­ ника (т. е. в данном случае гармоника несущей частоты со) и четные боковые гармоники частоты Q (т. е. гармо­ ники с частотами со±2я£2) линейно поляризованы, син-

фазны, и ориентация их совпадает с ориентацией исход­ ного немодулированного колебания. Гармоники со+(2я—

— 1)й и со— (2я— 1)й также линейно поляризованы, но

поляризационно ортогональны четным гармоникам. Кро­ ме того, нечетные гармоники попарно противофазны.

На рис. 4.3 изображен графически спектр ПМф сиг­

нала вида (4.2.3) для некоторых дискретных значений Дер. Амплитуды спектральных составляющих нечетных гармоник, поляризация которых совпадает с осью оу,

изображены на рис. 4.3 без изменения масштаба.

Есть определенная аналогия между спектром ПМ^

и спектром ФМ сигнала. Действительно, ФМ сигнал име­ ет вид

ефМ(/) = cos[co/—ЛФзшШ] =

= cos со/ cos[A<DsinQ/] + sin со/ sin[A(DsinQ/]. (4.2.4)

Если взять Re,- от левой части выражения (4.2.3), то

87

получим

е(t) =cos at cos[Ai<psinQ£]+ i sin at sin[Aq>sin£2/]. (4.2.5)

Таким образом, если в спектре ФМ сигнала с девиацией фазы ЛФ=Лф развернуть все нечетные гармоники в про­ странстве на п/2, то получим

спектр ПМф сигнала. Поэто­ му и ширину спектра ПМ^ колебания можно опреде­ лить так же, как и ширину спектра ФМ колебания:

амплитуда которых меньше

0,01.

Практически при Л<р,<я/4 второй и более высокими

гармониками частоты П можно пренебречь, и, следова­ тельно, спектр узкополосной ПМ будет представлять собой несущую горизонтальной поляризации (ось ох —

горизонтальная ось) и две боковых вертикальной поля­ ризации. ПМ9 колебание может быть превращено в при­

емном устройстве в ФМ сигнал. Для этого достаточно сложить с учетом фаз составляющие ex (t) и ey (t) с вы­

ходов двухканального приемного устройства либо свести в одну плоскость и просуммировать высокочастотные

Ех и Еу составляющие в антенно-фидерном тракте.

88

Рассмотрим спектр ПМф сигнала при фо^'О, 0о=^О.

Представим (4.1.1) в ортогонально-эллиптическом ба­ зисе:

и сравним (4.2.7) с (4.2.5). Из сравнения видим, что энергетический спектр ПМф колебания в этом случае остается тем же самым, но теперь четные и нулевая гар­ моники частоты Й имеют эллиптическую поляризацию с параметрами ф0, 0о, а нечетные гармоники — ортого­

нальную эллиптическую поляризацию. Обозначим орт

с параметрами поляризации фо, 0о как Э(фо, 0о), а орто- ■^

тональный орт —Э (—фо, 0о+л/2). Реальную часть (4.2.7) запишем в виде

поляризационно-ортогональные выходы двухкомпонент­

ляризованные антенны противоположного направления вращения либо линейно-поляризованные антенны, ори­ ентированные под углом ±jt/4 по отношению ориентации большой полуоси поляризационного эллипса немодулированной несущей. Рассмотрим спектр составляющих ПМ сигнала на выходах таких антенн.

Если сигнал (4.1.1) принимается на двух компонент­ ную кругополяризованную антенну, то согласно (1.4.14) на двух ее выходах получим сигналы

69