книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

женин превысит порог отпирания; лампа Л\ откроется, напря­ жение на сетке лампы Л2уменьшится и лампа Л2закроется. Кон­ денсатор С начнет заряжаться через сопротивление R и отпер­ тую лампу Л|. В результате напряжение на сетке Л2 начнет по­ вышаться. Как только оно достигнет порога отпирания Л2, эта лампа отпирается, а лампа Л\ запирается, т. е. схема возвра­ щается в исходное состояние равновесия. Постоянная времени RC выбирается достаточно малой, поэтому заряд • емкости С происходит быстро, так что отпирание лампы Л2 произойдет до окончания пилообразного импульса. В результате на выходе схемы выделится импульс, длительность которого определяется величиной постоянной времени RC.

Положение этого импульса соответствует моменту переброса схемы, который изменяется под действием модулирующего на­ пряжения. Таким образом, последовательность импульсов на выходе будет модулирована по фазе. Так как временное поло­ жение каждого импульса определяется значением модулирую­ щего напряжения в момент появления данного импульса, имеет место модуляция по фазе первого рода (ФИМ-1).

Фазовая импульсная модуляция может быть получена и дру­ гими методами. Можно, например, сначала осуществить обыч­ ную фазовую модуляцию синусоидальных колебаний и затем подать это колебание на вход спусковой схемы, изображенной

Рис. 7.13. Получение ФИМ из непрерывных колебаний о фазовой модуляцией

на рис. 7.12. Когда величина подводимого напряжения превзой­ дет порог отпирания Л\, произойдет переброс схемы, на ее вы­ ходе образуется импульс. Из рис. 7.13 видно, что полученная последовательность импульсов будет модулирована по фазе. Этот метод ФИМ сложнее предыдущего и не находит широкого практического применения.

Модулированные по фазе видеоимпульсы управляют коле­ баниями высокочастотного генератора. На практике применяет-, ся амплитудная модуляция высокой частоты, что соответствует двухступенчатой модуляции вида ФИМ—AM. В этом случае

3 1 0

щественным преимуществом ФИМ—AM перед ДИМ—AM. При ДИМ—AM информация содержится в положение модулирован­ ного фронта импульса, и значительная доля энергии, излучае­ мой в течение времени существования плоской части импульса, расходуется бесполезно. В системах ФИМ—ЧМ или ФИМ— ФМ' импульсы излучались бы непрерывно, что привело бы к потере указанных энергетических преимуществ.

Следует иметь в виду, что при уменьшении длительности импульсов в системе ФИМ—AM расширяется спектр сигнала. Это приводит к необходимости расширения полосы частот кана­ ла связи, вследствие чего затрудняется возможность согласова­ ния выходного каскада передатчика с нагрузкой.

Спектр последовательности импульсов при ФИМ примерно такой же, что и при ДИМ. В спектре ФИМ также имеется со­ ставляющая модулирующей частоты. Кроме того, в спектре ФИМ имеются гармоники частоты отсчета, окруженные беско­ нечным числом пар боковых частот, определяемые, как и при ДИМ, равенством (7.24). Частотный спектр ФИМ-2 отличается от спектра ФИМ-1 наличием гармоник модулирующей частоты, но это различие становится практически незаметным при реа­ лизуемых сравнительно небольших временных сдвигах импуль­ сов.

Между спектрами ФИМ и ДИМ, несмотря на их сходство, имеется существенное различие. Чтобы понять это различие, выведем выражение для амплитуды составляющей модулирую­ щей частоты при ФИМ. Строгий анализ спектра достаточно сло­

В этом выражении, в отличие от выражения (7.25), неизменной является длительность импульса а расстояние между им­ пульсами, т. е. период следования импульсов Т„, изменяется с частотой модуляции У, вследствие чего в спектре и появляется составляющая этой частоты. Найдем выражение для периода следования импульсов. На основании (7.30) величина времен­ ного сдвига импульса при ФИМ равна 81 = t mcos9.t. При этом приращение фазы и частоты следования импульса выразятся следующим образом:

311

Отсюда получаем выражение для частоты следования импуль­ сов

В выражениях (7.33), (7.34), (7.35) й0, Г0есть частота и период

Обозначая опять относительный временной сдвиг через а = —^ ,

Из (7.38) видно, что амплитуда составляющей модулирующей частоты зависит от самой частоты. В этом состоит одно из ос­ новных отличий спектра ФИМ по сравнению со спектром АИМ. Зависимость от частоты 2 приводит к частотным искажениям, заключающимся в подъеме верхних модулирующих частот и за­ вале нижних модулирующих частот. Указанная особенность ос­ ложняет возможность демодуляции модулированных по фазе импульсных сигналов с помощью фильтра нижних частот. Для устранения частотных искажений фильтр должен иметь нерав­ номерную в пределах полосы пропускания частотную характери­ стику, определяемую из условия

Сложность частотной характеристики фильтра является недо­ статком данного метода демодуляции.

Вторым существенным недостатком является малое значе­ ние амплитуды составляющей модулирующей частоты в спектре ФИМ. Ее значение оказывается значительно меньше, чем в слу­ чае модуляции импульсов по длительности. Это видно из срав­ нения выражений (7.28) и (7.38), откуда следует:

£ Л з ф и м

Q

Если, например, х0= 1 мксек, а — = 3000 гц, тогда 2тс

U s дим ^

U ЕФИМ

Таким образом, действительно уровень составляющей модули­ рующей частоты при ФИМ оказывается значительно меньше, чем при ДИМ.

Заметим, что обе установленные приближенным методом особенности — зависимость амплитуды составляющей модули­ рующей частоты от самой частоты и ее низкий уровень — под­ тверждаются и при строгом анализе спектра ФИМ.

По указанным причинам при ФИМ метод непосредственной демодуляции с помощью фильтра нижних частот обычно не при­ меняется. На практике для выделения звуковой составляющей из спектра импульсов, модулированных по фазе, применяются нелинейные методы, связанные с преобразованием ФИМ в ДИМ или АИМ и последующей фильтрацией.

Преобразование ФИМ в ДИМ может быть осуществлено с помощью спускового устройства, схема которого приведена на рис. 7.14,а. Импульсы, модулированные по фазе (рис. 7.14,6), поступают на сетку Л\. При этом Лх открывается, Л2 закры­ вается. На сетку Л2 поступают гасящие импульсы, сдвинутые

•относительно тактовых точек на определенное время (рис. 7.14,в). Эти импульсы перебрасывают схему в другое состояние равно­ весия. В результате на аноде Л2 будут выделяться импульсы с односторонней модуляцией за счет перемещения переднего фронта (рис. 7.14,г).

Полученная последовательность импульсов, модулированных по длительности, затем подвергается демодуляции с помощью фильтра нижних частот. В результате такого преобразования удается существенно повысить уровень модулирующей частоты в спектре и избавиться от частотных искажений без применения специальной коррекции.

Простота описанного метода демодуляции обусловила его широкое применение в многоканальных радиоприемниках. Не­ достаток метода заключается в необходимости синхронной по­ следовательности гасящих импульсов, сдвинутых относительно точек отсчета на определенный интервал времени. Решение этой задачи связано с усложнением схемы. Если требуется построить одноканальную импульсную систему связи, такое усложнение может оказаться нецелесообразным. В этом случае проще ока­ жется система связи с ДИМ.

Рассмотрим метод преобразования ФИМ в АИМ. Необходи­ мо различать два метода такого преобразования. При первом методе временное положение модулированных по фазе импуль­ сов не изменяется, поэтому после преобразования импульсы

313

будут модулированными и по амплитуде и по фазе (АФИМ). При втором методе временное положение импульсов изменяет­ ся так, что временные промежутки между импульсами стано­ вятся одинаковыми, поэтому после преобразования 'импульсы будут модулированными только по амплитуде.

с периодическим пилообразным напряжением и пропускаются через ограничитель по минимуму. Так как пилообразное на­ пряжение является линейным; амплитуды импульсов на выходе ограничителя будут пропорциональны их временным сдвигам относительно соответствующих тактовых точек. Временное по­ ложение импульсов будет таким ж!е, как и при ФИМ. Следова­ тельно, полученная последовательность импульсов будет иметь как амплитудную, так и фазовую модуляцию.

Описанное преобразование приводит к повышению,, уровня составляющей модулирующей частоты. Однако анализ спектра АФИМ показывает [1.], что в этом случае возникают значитель­

314

ные комбинационные искажения и искажения за счет появляю­ щейся второй гармоники модулирующей частоты. Общий уро­ вень искажений оказывается больше, чем при преобразовании ФИМ в ДИМ, что является недостатком данного метода демо­ дуляции.

Рис. 7.15. Преобразование ФИМ в АФИМ:

а — импульсы, модулированные по фазе; б — им-

•пульсы, модулированные по фазе, сложенные с пилообразным напряжением; в — импульсы, мо­ дулированные по амплитуде и фазе (АФИМ)

Меньший уровень искажений получается при преобразова­ нии ФИМ в АИМ. Принцип такого преобразования поясняется на рис. 7.16. Импульсы, модулированные по фазе (рис. 7.16,а), запускают генератор пилообразного напряжения (рис. 7.16,6).

усилителя образуется последовательность равностоящих импуль­ сов, модулированных по амплитуде.

Преобразование ФИМ в АИМ дает возможность применить демодуляцию с помощью фильтра нижних частот с равномер-

315

б о й частотной характеристикой. При этом для устранения ком­ бинационных искажений при любой глубине модуляции доста­ точно иметь коэффициент следования импульсов больше двух

№>2).

В[1] доказывается, что условие р-^>2 оказывается доста­

точным лишь при преобразовании ФИМ-2 в АИМ-2. При пре­ образовании ФИМ-1 в АИМ-1 имеют место дополнительные ис­ кажения.

§ 2. ИМПУЛЬСНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ С КВАНТОВАНИЕМ СООБЩЕНИЙ ПО УРОВНЮ

Кодовая импульсная модуляция (КИМ)

В ранее рассмотренных системах импульсной связи пара­ метры импульсов изменялись пропорционально значению не­ прерывной функции сообщения в точках отсчета. Так как число таких значений бесконечно велико, число значений изменяемо­ го параметра импульсов (амплитуды, длительности, фазы) так­ же будет бесконечно большим. Но мгновенное значение сооб­ щения не может быть передано точно, ибо различные помехи и искажения вносят ошибку в полученную информацию о значе­ нии сообщения. Поскольку при передаче непрерывной функции любые ее значения возможны, по принятому значению нельзя сказать, какое значение было передано, т. е. нельзя исправить искажение. При ретрансляции сигналов с помощью промежу­ точных станций в целях увеличения дальности связи указанные искажения будут накапливаться.

В системах импульсной связи с квантованием непрерывное сообщение F(t) передается дискретными уровнями, как это по­ казано на рис. 7.17. Выборка значений непрерывной функции, отображающей сообщение, производится в определенные мо­ менты времени с некоторым интервалом Т0 (рис. 7.17,а). Весь диапазон значений этой функции разбивается на конечное чис­ ло дискретных уровней. П.ри взятии отсчета передается либо уровень, ближ/айший к истинному, либо верхний уровень, либо нижний уровень

Представление непрерывной функции некоторыми установ­ ленными дискретными уровнями называется квантованием. Квантование неизбежно связано с искажениями непрерывного сообщения, которые характеризуются шумом квантования (рис. 7.17,6). Уровень шума квантования зависит от разности между ближайшими дискретными уровнями h, называемой ша­ гом квантования (см. ниже).

Под действием помех и искажений передаваемые уровни из­ меняются, поэтому принятые уровни будут отличаться от уста­ новленных .Но если шаг квантования достаточно большой, а по-

3 1 6

мехи и искажения не слишком велики, отклонения принятых уровней от соответствующих им установленных уровней будут незначительными, и мы всякий раз с уверенностью мож/ем ска­ зать, какому установленному уровню соответствует принятый уровень.

1

Рис. 7.17. Принцип передачи сообщений при КИМ:

а — квантование непрерывного сообщения. Сплошная ли­ ния — исходное сообщение, пунктирная линия — восста­ новленное сообщение; б — шум квантования; в — пере­ дача уровней кодовыми комбинациями

Последовательность принятых дискретных уровней представ­ ляет последовательность импульсов, модулированных по ам­ плитуде. Для выделения сообщения эта последовательность пропускается через фильтр нижних частот. Восстановленное со­ общение на выходе фильтра (пунктирная линия на рис. 7.17,а) будет несколько отличаться от переданного сообщения. Ука­ занные искажения связаны с квантованием непрерывного со­ общения на передающей стороне.

Достоинство квантования состоит в том, что оно дает воз­ можность осуществлять многократную ретрансляцию без на­ копления искажений. Это определяется тем, что на каждой про­ межуточной станции производится регенерация сигнала, т. е. восстановление установленных уровней, конечно, при условии, что помехи при каждом повторении не настолько велики, чтобы нельзя было правильно распознать эти уровни.

Установленные уровни квантованного сообщения могут пере­ даваться по-разному. Принципиальным является то, что в си­ стемах связи с квантованием число уровней является конечным.

317

Это дает возможность передавать уровни с помощью кодовых комбинаций с использованием того или иного кода. Вообще го­ воря, может быть применен код с любым основанием. Можно каждый установленный уровень сообщения передавать без пере­ кодирования, сопоставив каждому уровню отдельное значение параметра сигнала, например, значение амплитуды, частоты или фазы высокочастотного сигнала. В этом случае основание кода равно числу уровней, количество разрядов кода равно единице. Можно для составления кодовых комбинаций применить код с более низким основанием. Если число уровней, а следователь­ но, и число кодовых комбинаций, которые необходимо образо­ вать, равно W, тогда основание и количество разрядов кода свя­ заны соотношением (2.5)

N = тп™.

где т — основание кода; пт — количество разрядов кода.

В настоящее время наибольшее распространение находит кодовая импульсная модуляция с применением двоичного кода. В этом случае N = 2". Рис. 7.17,в иллюстрирует принцип пере­ дачи восьми уровней с помощью двоичного трехразрядного кода.

Число установленных уровней зависит от вида сообщения и

ществляющее амплитудную импульсную модуляцию (рис. 7.18). Иногда этот процесс называют квантованием по времени, а импульсный модулятор — квантизатором. Далее модулирован­

ные по амплитуде импульсы поступают на кодообразователь (КО), где осуществляется квантование по амплитуде и образо­ вание кодовых комбинаций. Методы осуществления АИМ нам уже известны, поэтому здесь подробнее остановимся на устрой­ стве кодообразователей. ■' ■.

Прежде всего рассмотрим схемные кодообразователи, кото­ рые по принципу действия можно разделить на две наиболее распространенные группы — разностные и счетно-решающие.

3 1 8

На рис. 7.19 изображена блок-схема КИМ с разностным кодфобразователем. Действие этой схемы сводится к следую­ щему. Последовательность модулированных до амплитуде им: пульсов поступает на линию задержки (ЛЗ) с временем за­ держки, равным интервалу между передними фронтами сосед­ них импульсов в кодовой группе. Задержанные импульсы уси­ ливаются для компенсации затухания в схеме и поступают на

Рис. 7.19. Блок-схема КИМ с разност­ ным кодообразователем

устройство сравнения (УС) и на вычитающее устройство. Устройство сравнения представляет собой спусковое устройство (ждущий мультивибратор) с порогом срабатывания, равным

довательности АИМ. Всякий раз, когда амплитуда импульса на входе устройства сравнения больше порога срабатывания, оно

В противном случае устройство сравнения импульса не выдает. Если, например, максимальная амплитуда импульса равна 32 (число передаваемых уровней сообщения равно 32), тогда ам­ плитуда импульсов на выходе устройства сравнения равна 16.

На выходе вычитающего устройства образуются импульсы, представляющие собой разность импульсов на входе и выходе устройства сравнения. Эти импульсы портупают на усилитель с коэффициентом усиления, равным двум', после чего подаются на вход линии задержки.

Для иллюстрации работы схемы рассмотрим конкретный пример. Предположим, что максимальная амплитуда импульса равна 32, а на выходе импульсного модулятора в данный мо­ мент имеется импульс с амплитудой 27,9 в. Этот импульс про­ ходит линию задержки и усилитель, компенсирующий затуха­ ние в схеме, и поступает на устройство сравнения. Поскольку амплитуда импульса на входе превышает порог срабатывания, равный 16 в, устройство сравнения выдаст импульс с амплиту­ дой 16 в. Этот импульс поступает к передатчику и на вход-вы-

319