книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

§ 4. М А Н И П У Л Я Ц И Я П О Д Н Е С У Щ И Х К О Л Е Б А Н И И

Для передачи дискретных сообщений по проводным и радио­ линиям связи широко применяется манипуляция поднесущих ко­ лебаний (тональная манипуляция). При этом в соответствии с передаваемым сообщением изменяется один из параметров то­ нального колебания. Тональные колебания являются поднесущими и используются для модуляции колебаний несущей частоты.

В зависимости от изменяемого параметра поднесущего коле­ бания и от вида модуляции несущей частоты излучаемые сигна­ лы будут представляться одним из выражений (1.7) — (1-14).

Манипуляция поднесущих колебаний широко применяется для уплотнения канала связи, т. е. для одновременной передачи не­ скольких сообщений по одной линии связи. Кроме того, манипу­ ляция поднесущих колебаний применяется в устройствах селек­ тивного вызова. Такие устройства используются для автоматиче-

к,

ского избирательного вызова самолетов с наземного пункта связи. В этом случае на наземном пункте связи имеется коди­ рующее устройство, с помощью которого образуется большое количество кодовых комбинаций тональных частот. На самолете имеется дешифратор, настроенный на кодовую комбинацию, при­ своенную данному самолету. При приеме этой кодовой комби­ нации происходит подключение головных телефонов к прием­ нику, благодаря чему обеспечивается прослушивание адресо­ ванных только данному самолету сообщений.

На рис. 3.24 приведена блок-схема радиостанции с исполь­ зованием манипуляции поднесущих колебаний для одновремен-

100

ной передачи трех дискретных сообщений. По существу это есть один из возможных вариантов многоканальной радиостанции (гл. VIII), которая обеспечивает одновременную передачу трех дискретных сообщений на одной несущей частоте по трем каналам. Здесь также возможна передача с активной и пассив­ ной паузой. Чаще применяются системы с активной паузой, в которых оба значения сигнала отличны от нуля.

Системы с амплитудной манипуляцией поднесущей частоты

худшим использованием мощности генераторной лампы при ам­ плитудной модуляции. Кроме того, при амплитудной манипуля­ ции поднесущих частот для реализации возможно более высо­ кой помехоустойчивости на выходе приемника необходимо уста­ новить пороговые устройства с регулируемым порогом срабаты­ вания (гл. Ill, § 1). Практическое обеспечение этого требования затруднительно, что является одной из основных причин низкой помехоустойчивости амплитудной манипуляции. Особенно это относится к коротковолновым устройствам связи. В этом случае при глубоких замираниях далее наличие системы АРУ не устра­ няет изменения выходного напряжения.

Таким образом, система связи типа AM—AM обеспечивает худшее использование мощности генераторной лампы, требует большего постоянства входного 'напряжения и в конечном счете обладает низкой помехоустойчивостью.

В некоторых случаях, например в устройствах селективного вызова, применяется система связи типа ЧМ—AM, в которой осуществляется частотная манипуляция поднесущего колебания и амплитудная модуляция несущей частоты. Однако з такой системе связи сохраняется недостаток, связанный с плохим ис­ пользованием мощности генераторной лампы.

Достоинство такой системы состоит в том, что для приема дискретных сигналов может быть использован приемник, пред­ назначенный для приема дмплитудно-модулированных сигналов (например, приемник УКВ самолетной радиостанции), допол­ ненный приставкой, подключаемой к выходу приемника.

сигналы тональных частот проходят через полосовые фильтры ПФь ПФ2, ПФ3 и поступают на частотный модулятор (ЧМ), с помощью которого осуществляется частотная модуляция ко­ лебаний задающего генератора.

Процесс разделения сигналов в приемнике происходит в об­ ратном порядке. Сигналы проходят через высокочастотную часть приемника и поступают на частотный детектор (ЧД), на выходе

101

которого будут выделяться колебания тональных частот. После усиления тональные частоты разделяются фильтрами, настроен­ ными на позитивную и (негативную частоты данного канала1'. Позитивная или негативная посылка в данном канале регистри­ руется по наибольшему выпрямленному напряжению на вы­ ходе соответствующего амплитудного детектора.

Из рис. 3.24 видно, что при манипуляции поднесущих коле­ баний, кроме селекции в тракте усилителя промежуточной час­ тоты, осуществляется вторичная 'Низкочастотная селекция под­ несущих частот. Это дает возможность обеспечить достаточно высокую помехоустойчивость связи при сравнительно низкой стабильности несущей частоты.

Более подробный анализ помехоустойчивости различных ви­ дов манипуляции поднесущих колебаний приводится в §5 гл. IV..

Радиостанция, схема которой изображена на рис. 3.24, содер­ жит четвертый канал, по которому передаются телефонные сообщения. Для выделения частот речи служат фильтры нижних частот (ФНЧ). Если телеграфные и телефонные сообщения пе­ редаются одновременно, тогда для их разделения тональные частоты телеграфных каналов должны лежать за пределами ре­ чевого спектра частот, например, в диапазоне 3500— 10000 гц. В этом случае телеграфирование иногда называют надтональным, в отличие от тонального телеграфирования, при котором используются поднесущие частоты, лежащие в пределах речево­ го спектра частот.

Тональное телеграфирование дает возможность произвести уплотнение телефонного канала, т. е. использовать его для пере­ дачи нескольких телеграфных сообщений. Это обеспечивает воз­ можность маневра каналами связи, которые в зависимости от обстановки могут быть использованы для передачи телефонных или телеграфных сообщений. Существенным является то, что при тональном телеграфировании для усиления тональных час­ тот могут быть использованы усилители речевых частот. Это упрощает конструкцию аппаратуры. Уплотнение телефонных ка­ налов широко используется как при передаче по проводам, так

Остальные частоты выбираются в соответствии со следующим соотношением:

102

При частотной манипуляции поднесущих колебаний каждая тональная частота изменяется в ту или другую сторону на ве­ личину девиации частоты. Ее величина может быть определена по условию

/ д = ( 2 - 5 - 4 ) F м ,

где FM— частота манипуляции. Девиация частоты и скорость передачи определяют ширину спектра низкочастотного сигнала (гл. Ill, § 2 ). Расстояние &F ме“жду тональными частотами должно быть настолько большим, чтобы спектры различных ка­ налов не перекрывались между собой.

Приведенные соображения по выбору тональных частот яв­ ляются грубо приближенными. Если имеется необходимость максимального уплотнения телефонного канала с целью переда­

Отклонение от указанных примерных норм приходится де­ лать также при большой скорости передачи. При использовании вычислительной техники для решения некоторых практических задач необходимая скорость передачи информации по каналу связи может составлять 2000 бод и более. В ряде случаев ста­ вится требование использования для передачи такой информа­ ции радиотехнических систем, сочленяемых с обычными телефон­ ными радиоканалами. При этом обычно не представляется воз­ можным удовлетворить условие (3.51). В самом деле, при ско­ рости передачи 2000 бод длительность элементарной посылки будет равна 0,5 мсек. В соответствии с условием (3.51) тональ­ ная частота должна быть взята большой, но даже при /17= 2000 гц в элементарной посылке будет укладываться лишь один период этой частоты.

Следовательно, каждая низкочастотная посылка будет пред­ ставлять отрезок синусоиды, по продолжительности равный од­ ному периоду. Сигналы такого вида используются в системах связи, предназначенных для передачи информации с большой скоростью [19].

При большей скорости передачи особо важной характеристи­ кой является ширина полосы частот, необходимая для передачи информации по каналу связи. При скорости передачи 2000 бод для пропускания только одной гармоники частоты манипуляции (/^м = 1000 гц) требуется полоса, равная 2000 гц. Поэтому при­ менение частотной манипуляции поднесущих колебаний, при ко­ торой сигнал занимает еще более широкую полосу частот, мо­

103

жет оказаться нецелесообразным. С этой точки зрения целесооб­ разным является применение фазовой манипуляции поднесущих колебаний, при которой сигнал занимает сравнительно узкий спектр частот, и в то же время такая система обладает высокой помехоустойчивостью.

§ 5. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ

При передаче сообщений" с применением ранее рассмотрен­ ных методов манипуляции каждому значению дискретных сооб­ щений однозначно соответствуют определенные значения пара­ метров сигнала независимо от значений этих параметров для других элементарных сигналов. Таким образом, информация передается значением параметров манипулируемых сигналов.

Относительная манипуляция основана на сравнении парамет­ ров двух элементарных сигналов *. В этом случае каждому зна­ чению дискретных сообщений соответствует определенное значе­ ние разности параметров двух элементарных сигналов. Следо­ вательно, информация передается не значением, а изменением параметров данного элементарного сигнала относительно друго­ го элементарного сигнала.

Выбор значения параметра элементарных сигналов произво­ дится на основе следующего правила: позитивной посылке соот­ ветствует передача одинаковых значений параметра данного и предшествующего сигналов, негативной посылке — передача различных значений параметра данного и предшествующего сигналов. Значение параметра данного элементарного сигнала выбирается, таким образом, в зависимости от значения парамет­ ра предшествующего сигнала, которое каждый раз принимает­ ся как бы за начало отсчета. В такой системе связи начало от­ счета является скользящим, а метод манипуляции — динамиче­ ским методом. Ранее рассмотренные методы манипуляции (AM, ЧМ, ФМ) являются статическими методами.

Возможно построение различных систем с относительной ма­ нипуляцией в зависимости от того, какой параметр элементар­ ного сигнала сравнивается и изменяется. При относительной фазовой манипуляции (ОФМ) сравниваются фазы элементар­ ных сигналов, при относительной частотной манипуляции (ОЧМ) сравниваются частоты элементарных сигналов. Посколь­ ку различные значения сообщений передаются различными зна­ чениями разности параметров сравниваемых элементарных сиг­ налов, эти методы называются также фазо-разностной манипу­ ляцией (ФРМ) и частотно-разностной манипуляцией (ЧРМ).

Рассмотрим принцип построения системы связи с ОФМ, на­ шедшей практическое применение и являющейся наиболее пер­ спективной. В этом случае при позитивной посылке фаза несу-

* Можно проводить сравнение параметров нескольких элементарных сиг­ налов.

104

щего колебания данного элементарного сигнала остается той же, что и у предыдущего элементарного сигнала, при негатив­ ной посылке фаза изменяется на 180°.

Указанное преобразование сигналов может быть получено с помощью схемы, приведенной на рис. 3.25. Пусть на вход перемножителя поступает сигнал с фазовой .манипуляцией (рис. 3.26, 1). Тогда в результате перемножения данного входного и задержанного выходного сигналов на выходе получим сигнал с относительной фазовой манипуляцией (рис. 3.26—2). Этим сиг­ налом осуществляется манипуляция фазы высокочастотных ко­ лебаний.

Фм си гн а л Перемно ОФМ сигнал

ж ит ель

начало отсчета для первого элемента. В зависимости от знака первого элемента получим один из двух взаимно инверсных сиг­ налов с ОФМ (сигналы 2 и 3).

Практически преобразование вида ФМ -* ОФМ может быть получено также с помощью триггера, который опрокидывается,

'возможным состояниям равновесия триггера, в которых он мо­ жет находиться в начальный момент.

Прдем таких сигналов может осуществляться различными способами. На рис. 3.27 поясняется принцип автокорреляционно-

105

го приема ОФМ сигналов, называемого также приемом по спо­ собу сравнения фаз. На фазовый детектор сигнал поступает по двум путям — непосредственно и через элемент задержки (эле­ мент памяти), сохраняющий фазу несущего колебания воздей­ ствующего сигнала. В качестве элемента памяти можно исполь­ зовать искусственную длинную линию, колебательный контур и т. п. Время задержки равно длительности элементарного им­ пульса т3 = т0, поэтому на фазовый детектор поступают данный и предыдущий элементарные сигналы.

Напряжение на выходе фазового детектора пропорционально косинусу разности фаз сравниваемых элементарных сигналов и определяется соотношением (3.46), которое применительно к данному случаю может быть записано в следующем виде:

и д= k cos ер = к cos (?„ — <?„_,),

•где п, п— 1 — номера данного и предшествующего сигналов. Если за время длительности элементарного сигнала v укла­

дываются целое число периодов несущей частоты, тогда разность фаз сравниваемых элементарных сигналов может быть равна либо 0, либо 180°. При позитивной посылке разность фаз равна О, на выходе фазового детектора выделится положительный импульс напряжения; при негативной посылке разность фаз равна 180°, на выходе фазового детектора выделится отрица­ тельный импульс. Таким образом, данная схема воспроизводит переданные кодовые комбинации (рис. 3.26—4), т. е. осущест­ вляет обратное.преобразование вида ОФМ-»- ФМ. Важно отме­ тить, что выходной сигнал будет одинаковым для обоих взаим­ но инверсных сигналов ОФМ.

Если условие о кратности длительности импульса ^ периоду несущей частоты не выполняется, тогда разность фаз сравни­ ваемых соседних элементарных сигналов будет отличаться от О и 180° на некоторый постоянный угол. Этот сдвиг устраняется фазовращателем <?. показанным на рис. 3.27.

Для нормальной работы схемы приема необходимо обеспе­ чить постоянство разности фаз сравниваемых сигналов. Это на­ кладывает определенные требования на стабильность основных характеристик схемы. В самом деле, ошибка при приеме элемен­ тарного сигнала будет отсутствовать, если изменение разности фаз под действием дестабилизирующих факторов |<?„ — <?,,_! |< <у^/2 . Но при таком изменении разности фаз напряжение на выходе фазового детектора будет изменяться в широких преде­ лах. 'Во избежание этого, потребуем, чтобы изменение разности

Разность фаз сравниваемых сигналов может изменяться изза нестабильности частоты, времени задержки и длительности

106

посылки. Предположим, что изменение разности фаз обуслов­ лено нестабильностью частоты. Тогда условие (3.53) эквивалент­ но неравенству

2* ( / о - / К 0 / 6 .

Разделив на /0, получим

Аналогичные условия получим для случаев изменения фазы из-за нестабильности времени задержки и длительности элемен­ тарного сигнала

От,

1 2 -с0/ 0

__ 1

(3.56) •

1 2 т0/о

В самом неблагоприятном случае, когда изменение фазы за счет нестабильностей частоты, времени задержки и длительности им­ пульса происходит одновременно в одну сторону, эквивалентное соотношению (3.53) условие правильнопо приема будет иметь вид

Полагая указанные нестабильности одинаковыми, получим:

Соотношение (3.58) дает возможность оценить требуемую ста­

которое практически достижимо. Это значит, что относительная фазовая манипуляция может применяться не только в провод­ ных каналах связи и в диапазоне длинных волн, но также и в диапазоне коротких волн.

Требования к стабильности параметров тем ниже, т. е. усло­ вия (3.58) выполняются тем легче, чем ниже частота связи. Это объясняется тем, что при понижении частоты связи умень­ шается набег фазы за время длительности импульса тп. При д а т ной частоте связи по этой же причине требования к стабиль­ ности параметров снижаются при уменьшении длительности им­

; 107

пульса. Это значит, что важна не амплитудаизменения того или иного параметра, а скорость его изменения, определяющая величину изменения в Течение длительности импульса.

В коротковолновом диапазоне отклонения фазы возникают также за счет изменения условий распространения, причем опять решающее значение имеет не амплитуда изменений фазы, а ско­ рость изменений. Необходимо, чтобы в течение длительности элементарного импульса т0 изменения фазы ие выходили за до­ пустимые пределы и с большей степенью вероятности опреде­ лялись манипуляцией сигнала в передатчике, а не условиями распространения. Это требование выполняется в том случае, если максимальное значение длительности импульса то макс ие пре­ вышает нескольких десятков миллисекунд [20], [2 1 ].

Рис. 3.28. ■Блок-схема синхронного приемника ОФМ сигналов

Таким образом, требуется, чтобы изменения параметров си­ стемы связи с ОФМ происходили медленно по сравнению с дли­ тельностью элементарного импульса, т. е. были сильно коррелированы в соседних посылках. При этом прием информации, осно­ ванный -на сравнении фаз соседних посылок, будет обладать вы­ сокой помехоустойчивостью. При большой скорости изменения или большой длительности посылки помехоустойчивость ОФМ снижается [22 ].

Следует иметь в виду, что возможность уменьшения дли­ тельности элементарного сигнала ограничивается возрастанием влияния многолучевого распространения радиоволн.

Рассмотрим теперь способ синхронного приема ОФМ сигна­ лов, называемый также способом сравнения полярностей. Схема такого приемника (рис. 3.28) получена соединением двух схем, изображенных на рис. 3.19 и 3.27. Часть схемы 3.28, а соответ­ ствует схеме приемника с фазовой манипуляцией (рис. 3.19). Схема 3.28, б осуществляет сравнение полярностей прод,етектированных данной и предшествующей посылок.

При синхронном приеме не производится сравнения фаз со­ седних посылок и измерения разности фаз. Демодуляция здесь осуществляется в два этайа. Сначала фазы посылок принимае­ мого сигнала сравниваются с фазой опорного напряжения, за­

1 0 8 '

тем производится сравнение полярностей соседних посылок. На выходе схемы а сигнал будет иметь относительную фазовую ма­ нипуляцию. Схема б выполняет преобразование ОФМ -> ФМ. Это преобразование сводится по существу к выявлению знакоперемен в ОФМ сигнале путем суммирования по модулю два *.

соответствующих отсутствию знакоперемен. Путем выпрямления биполярные импульсы превращаются в однополярные, т. е. троичный сигнал превращается в двоичный, который выделяется на выходе выпрямителя и имеет фазовую манипуляцию.

Ранее указывалось, что существенный недостаток фазовой манипуляции, затрудняющий ее практическое применение, за­ ключается в возможности обратной работы и в необходимости начальной регулировки. При относительной фазовой манипуля­ ции опорным напряжением является напряжение предшествую­ щей посылки, фаза (полярность) которого запоминается на вре­ мя длительности данной посылки. Это*исключает обратную ра­ боту и необходимость начальной регулировки.

Отсутствие обратной работы при ОФМ вытекает из того, что сигнал на выходе приемника будет одинаковым для обоих взаимно инверсных сигналов ОФМ. В этом мы убедились при рассмотрении автокорреляционного приема ОФМ сигналов. Это же следует из временной диаграммы, приведенной на рис. 3.29, поясняющей действие схемы выявителя знакоперемен при син­

109