книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

Поскольку в первом канале имеется только шум, а во втором канале — сигнал плюс шум, плотности вероятности W\{U\), W2 {U2) при линейном детектировании будут равны

только шума в первом канале будет' больше опибающей сигнал

90

Так как интеграл в правой части последнего равенства равен

единице, для Р получаем следующее простое выражение:

U2

вероятности ошибки от величины отношения сигнала к помехе. Этой зависимости соответствует кривая 4 на рис. 3.3. Из сопо­ ставления кривых 4 и 2 видно, что частотная манипуляция об­ ладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с ам­ плитудной манипуляцией даже при оптимальном пороге в си­ стеме с амплитудной манипуляцией. При этом предполагается, что отношение Um/ана входе детекторов для обеих систем оди­ наково.

Выигрыш в помехоустойчивости, как это видно из рис. 3.3, получается сравнительно небольшим, примерно в 1,5—2 раза по мощности. В реальных условиях порог в системе с амплитудной манипуляцией не поддерживается оптимальным. Поэтому пере­ ход к частотной манипуляции даст больший выигрыш. Практи­ чески установлено, что переход от амплитудной манипуляции к частотной эквивалентен выигрышу по мощности в 4—9 раз. Это значит, что при той же вероятности ошибки мощность пере­ датчика в системе с частотной манипуляцией по сравнению с мощностью передатчика в системе с амплитудной манипуляцией может быть уменьшена в 4—9 раз.

Удовлетворительный прием сигналов с частотной манипуля­ цией обеспечивается при отношении сигнала к помехе

При частотной манипуляции отпадает необходимость в опти­ мальной регулировке порога срабатывания, благодаря чему упрощается эксплуатация приемного устройства. В этом случае пороговое устройство реагирует на разность напряжений двух каналов и регистрирует сигнал в том канале, в котором напря­ жение окажется 'Наибольшим.

Перечисленные преимущества объясняют широкое примене­ ние частотной манипуляции для целей связи. Системы с частот­ ной манипуляцией широко применяются и в других радиотехни­ ческих устройствах, предназначенных для передачи дискретных сообщений.

Анализ помехоустойчивости частотной манипуляции прове­ ден для случая постоянной амплитуды сигнала. Помехоустойчи­ вость при случайной амплитуде сигнала может быть рассмотре­ на так же, как это сделано в гл. Ill, § 1 применительно к ампли­ тудной манипуляции. При случайной амплитуде сигнала поме­ хоустойчивость частотной манипуляции будет ниже, чем при по­ стоянной амплитуде. Но по сравнению с амплитудной манипу­

9 1

ляцией при случайных амплитуде и фаз^ сигнала частотная ма­ нипуляция будет обладать более высокой помехоустойчивостью

[7], [8].

При частотной манипуляции данные, передаваемые на одной частоте, дополняют до целого информацию, передаваемую на другой частоте, и, следовательно, распознавание сообщения воз­ можно при приеме только одного сигнала. Эта особенность мо­ жет быть использована для уменьшения искажений, возникаю­ щих под действием замираний, путем автоматической регули­ ровки порога срабатывания реле [9]. Предположим, что ампли­ туда одного из сигналов уменьшилась до нуля, тогда как ампли­ туда другого сигнала осталась неизменной. При таких условиях нулевой порог срабатывания реле не является оптимальным. Его целесообразно установить, как и при амплитудной манипу­ ляции, равным примерно половине амплитуды сигнала, не под­ вергшегося замиранию. При этом вероятность искажения сиг­ нала уменьшится.

Рассмотренные системы с частотной манипуляцией применя­ ются для передачи одного сообщения по каналу связи. Передача двух сообщений может быть осуществлена с помощью двух са­ мостоятельных систем с частотной манипуляцией (двух передат­ чиков и двух приемников). В этом случае при одновременной передаче обоих сообщений на каждый канал будет приходиться лишь половина общей излучаемой мощности, что приведет к по­

четыре частоты. При нажатии ключа в первом канале и отжатии во втором канале излучаются колебания частоты/+_. При отжатии в первом канале и нажатии во втором канале излучают­ ся колебания частоты/-+• Нажатию в обоих каналах соответст­ вуют колебания частоты/++. отжатию в обоих каналах — коле­ бания частоты/__. В любом случае передатчик излучает полную мощность. Анализ системы ДЧТ показывает, что ее помехоустой­ чивость несколько хуже помехоустойчивости одноканальной си­

подробные сведения о двухканальнюй частотной телеграфии со­ держатся в [10].

§ 3. ФАЗОВАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ

Система с фазовой манипуляцией относится к системам с ак­ тивной паузой. В этом случае колебания, соответствующие по­ зитивной и негативной посылкам, являются противофазными, так что два значения сигнала равны:

■92

Сигналы такого в;ида могут быть получены различными спосо­ бами. На рис. 3.17 представлена одна из возможных схем для получения манипулированных по фазе сигналов вида (3.45). От высокостабильного автогенератора колебания поступают на управляющие сетки ламп Л\, Л2 в противоположных фазах.

Рис. 3.17. Схема передатчика с фазовой манипуляцией

Манипуляция осуществляется воздействием на защитные сетки этих ламп. При нажатом ключе определяемое источни­ ком Е1 напряжение на защитной сетке лампы Лi будет поло­ жительным, ■ а на защитной сетке лампы Л2 — отрицательным. Поэтому лампа Л\ будет отперта, лампа Л2 — заперта. Напря­ жение Е2 устанавливается значительно больше напряжения Еь поэтому при отжатом ключе на защитной сетке лампы Л2 напря­ жение будет положительным, а на защитной сетке лампы Л\ — отрицательным. В этом случае лампа Л2 будет отперта, лампа Л\ — заперта. Поскольку возбуждающие напряжения, подво­ димые к управляющим сеткам ламп Л\, Л2, находятся в проти­ вофазе, колебания первой гармоники анодных токов этих ламп также будут находиться в противофазе. Следовательно, нажа­ тию и отжатию ключа соответствуют противофазные колебания в колебательном контуре, включенном в анодные цепи ламп

Л\, Лг.

В" приемнике, предназначенном для приема манипулирован­ ных по фазе колебаний, имеется фазовый детектор. На практи­ ке применяются различные схемы фазовых детекторов. На рис. 3.18 изображена схема балансного фазового детектора. На вход фазового детектора, кроме напряжения принимаемого сигнала, поступает также напряжение опорной частоты.

Напряжение на выходе фазового детектора будет пропорцио­ нально разности фаз входных напряжений. При некоторых _ус­

93

ловиях амплитуда напряжения на выходе детектора пропорцио­ нальна косинусу разности фаз:

Колебания опорной частоты в приемнике находятся в фазе с ког

приемника не удается, так как даже при очень высокой стабиль­ ности частоты синфазность опорного напряжеия и напряжения сигнала с течением времени нарушается. Лучших результатов удается достичь при выделении опорного напряжения из прини­ маемого сигнала. Поскольку напряжение сигнала манипулиро­ вано по фазе, для образования опорного напряжения его необ­ ходимо превратить в неманипулированное напряжение.

Один из возможных методов создания опорного напряжения [111, [12], [13] поясняется на рис, 3.19, а. Манипулированные по фазе сигналы ui{t), ih(t), определяемые выражениями (3.45), поступают на вход удвоителя. На выходе удвоителя получим неманипулироваиные напряжения удвоенной частоты

и,y (t) ■■= Um cos 2u>t\

и2у (t) - - Umcos (2<ot -f- 2ic) = Umcos 2u>t.

Эти напряжения поступают на двукратный делитель частоты. После деления получим неманипулированное опорное напряже­ ние исходной частоты ©, которое через фазовращатель © посту­ пает на фазовый детектор (ФД), куда поступают также сиг­ налы u\(t), uz{t). Фазовращатель регулируется таким образом,

94

чтобы оперное напряжение находилось в фазе с напряжением одной из посылок, например с напряжением позитивной посылки.

Другой метод создания опорного напряжения связан с при­ менением системы фазовой АПЧ местного генератора по прини­ маемому сигналу (рис. 3.19,6). Неманипулированные колеба­ ния местного генератора МГ используются в данном случае для синхронного детектирования принимаемого фазоманипулированного сигнала.

Нтеле­

Ширина частотного спектра, занимаемая сигналом при фазо­ вой манипуляции, такая же, как и при амплитудной манипуля­ ции. Скачкообразные изменения фазы сигнала на ± я будут устанавливаться в селективных цепях практически мгновенно. При смене посылки колебания с прежней фазой будут затухать, а колебания с новой фазой — 'нарастать. Форма импульса на выходе приемника будет зависеть от длительности переходных процессов, т. е. от длительности установления огибающей. Она тем лучше, чем шире полоса пропускания. При фазовой мани­ пуляции, как и при амплитудной манипуляции, полоса пропуска­ ния выбирается в соответствии с равенствами (3.2), (3.3) или (3.6), поскольку в обеих системах процессы установления оги­ бающих аналогичны.

Различие в спектрах сигналов, манипулированных по фазе и по амплитуде, состоит в том, что в ФМ сигнале составляющая несущей частоты оказывается подавленной или полностью от- • сутствует.

Несмотря на простоту принципов построения системы с фа­ зовой манипуляцией, ее практическое осуществление затрудне­ но. Основные трудности связаны с наличием неопределенности фазы на 180° и необходимостью регулировки схемы перед нача­ лом связи и при перерывах связи для установления правильного соотношения фаз между опорным напряжением и напряжением , сигнала, а следовательно, правильной полярности импульсов на выходе фазового детектора. При отсутствии такой регулировки может возникать обратная работа, проявляющаяся в изменении

95

полярностей зарегистрированных посылок по отношению к по­ лярностям переданных посылок на обратные. Обратная работа возникает также при действии помех [14].

Из-за указанного недостатка фазовая манипуляция не нахо­ дит широкого практического применения в системах радиосвязи. Но поскольку фазовая манипуляция обладает высокой помехо­ устойчивостью (см. ниже), предлагаются различные способы усовершенствования этой системы с тем, чтобы сделать ее прак­ тически пригодной.

Один из способов сводится к манипуляции фазы на угол, меньший 180°, например, на 120°. В спектре такого сигнала бу­ дет содержаться неманипулированная по фазе составляющая несущей частоты, и она может быть выделена с помощью узко­ полосного фильтра. Это позволяет устранить обратную работу. Недостаток данного метода заключается в снижении помехо­ устойчивости системы связи.

В некоторых случаях склонность системы связи с фазовой ма­

Mi (t), второе — посылке сигнала м2 (t) . Кроме этих колебаний, на фазовый детектор поступают колебания опорной частоты ви­

амплитуды косинусоидальных составляющих. •Очевидно, что амплитуды X -\-Um и X — Un будут иметь нормальные распре­

]/"2тс о

96

На рис. 3.20 изображены кривые плотности вероятности, соот­ ветствующие выражениям (3.48). Из сравнения рис. 3.20 и 3.2 видно, что расстояние между максимумами кривых при фазовой манипуляции в двараза больше, чем при амплитудной манипу­ ляции и синхронном приеме. Это значит, что переход от ампли­ тудной манипуляции с синхронным приемом к фазовой мани­ пуляции эквивалентен увеличению отношения сигнала к помехе в два раза, т. е. выигрышу по мощности в 4 раза. По сравне­ нию с обычной системой с амплитудной манипуляцией, в кото­ рой фаза сигнала является случайной, а порог неоптимальным, выигрыш будет еще больше.

Выражение для вероятности ошибки при фазовой манипуля­

Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнала к поме­ хе представлена графически на рис. 3.3 (кривая 5), откуда видно, что система с фазовой манипуляцией, обладает наиболее высокой помехоустойчивостью по сравнению с системами, ис­ пользующими другие виды манипуляции. Именно поэтому при­

устойчивость системы связи с фазовой манипуляцией проведен, например, в [16].

В ряде случаев возникает необходимость уплотнения канала, т. е. передачи нескольких сообщений по одному каналу связи. Для этой цели может быть использована многократная фазовая манипуляция [17]. На рис. 3.21 поясняется принцип двукрат­ ной фазовой манипуляции (ДФМ). Сигналы различных каналов сдвинуты по фазе на 90°, а сдвиг по фазе позитивной и негатив­ ной посылок каждого канала равен 180°.

На рис. 3.22 изображена блок-схема передатчика с двукрат­ ной фазовой манипуляцией. От общего автогенератора колеба­ ния поступают на фазовые манипуляторы первого и второго ка-

налов ФМ-1 и ФМ-2. Фазовращатель обеспечивает сдвиг по фазе между-сигналами различных каналов, равный 90°. Фазовая ма­ нипуляция на 180° в каждом канале осуществляется ключами Ки К2 независимо друг от друга. Нажатию ключей соответст­

Рис. 3.22. Блок-схема передатчика с двукратной фа­ зовой манипуляцией

вуют позитивные посылки первого и второго каналов « 1, щ', отжатию — негативные посылки « 2, и2, при этом

их(t) = Umcos <s>t\■

« 2 (t) = — Um cos iot;

iii(t) = Umsin

u.2'(t) = — Umsin u)t.

В зависимости от положения ключей результирующее колебание на выходе передатчика будет определяться одним из векторов on, Ui2, Ы2 1 , Ы22. При позитивных посылках в обоих каналах ре­ зультирующее колебание определится вектором «п, при пози­

98

тивной посылке в первом канале и негативной посылке во вто­ ром канале — вектором «12 и т. д.

Приемное устройство (рис. 3.23) содержит два фазовых де­ тектора и общий для обоих каналов источник опорного напря­ жения. Опорное напряжение выделяется из принимаемого сиг­ нала. Для образования немаиипулированного по фазе напряже­ ния производится четырехкратное умножение и затем четырех­ кратное деление частоты принимаемого сигнала. Неманипулироваииое опорное напряжение вместе с напряжением принимае-

fi т елеграфному

а п п а р а т у M l

Н телеграфному

аппарату М2.

Рис. 3.23. Блок-схема приемника для приема сигналов с дву­ кратной фазовой манипуляцией

мого сигнала поступает на фазовые детекторы ФД-1 и ФД-2. Фазовращатель <р обеспечивает сдвиг по фазе опорного напря­ жения в первом и втором каналах на 90°. Напряжение на выходе фазовых детекторов будет создаваться только синфазными или противофазными составляющими результирующих колебаний ии, « 12, « 21, «22 по отношению к опорному напряжению, подводи­ мому к данному фазовому детектору. Напряжение от квадратур­ ных составляющих будет равно нулю.

Многократная фазовая манипуляция позволяет увеличить пропускную способность системы связи. Однако из-за уменьше­ ния минимальной разности фаз между сигналами помехоустой­ чивость системы понижается.

Можно показать [18], что при двукратной фазовой манипу­ ляции вероятность ошибки будет определяться следующей фор­

Из сравнения этой формулы с формулой (3.49) видно, что. переход от однократной фазовой манипуляции к двукратной эквивалентен проигрышу по мощности в два раза. Соответствую-' щая ДФМ кривая вероятности ошибок будет лежать несколько ниже кривой 4 на рис. 3, относящейся к системе ЧМ при случай­ ной фазе сигнала.