Амплитудное телеграфирование
Амплитудное телеграфирование (АТ), или амплитудная манипуляция, является частным случаем АМ модуляции и осуществляется путём дискретного управления амплитудой ВЧ колебания (чередованием посылок на пиковом уровне мощности и пауз между ними). АТ - старейший способ передачи смысловых сообщений. В последние годы на смену АТ в системах профсвязи пришли более помехозащищённые системы с частотным (ЧТ) и фазовым (ФТ) телеграфированием.
Но и сегодня АТ часто используется при ручном радиообмене в системах аварийной (при передаче сигналов бедствия), морской и радиолюбительской связи, а также в радионавигационных системах.
При АТ формируется один из двух видов (телеграфных) посылок: незатухающие (рис. а) и тонально манипулированные (рис. б).
u, i |
τ |
τ |
3τ |
|
|
|
|
0 |
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
а |
u, i |
|
0 |
t |
|
|
|
б |
Скорость передачи телеграфных сигналов характеризуют числом Бод В - числом посылок в секунду. Частота следования чередующихся посылок и пауз одинаковой длительности серия точек F = 1/Т = 1/2 [Гц], а число Бод В = 1/ .
Частота следования посылок и скорость передачи связаны соотношением F=0.5B.
23
Диапазон скоростей передачи сигналов при АТ : от 20 Бод при ручной работе с ключом Морзе до 300 Бод при использовании трансмиттера. Высокие скорости до 1000 Бод и выше используются при передаче фотоизображений.
Незатухающие посылки ВЧ колебаний есть частный случай 100% АМ модуляции с прямоугольной огибающей.
Работа импульсами позволяет использовать АЭ по максимуму колебательной мощности во время передачи посылки - в общем случае равной номинальной колебательной мощности прибора.
Спектр импульсной последовательности помимо постоянной составляющей, содержит нечётные составляющие, кратные частоте следования посылок. Коэффициенты разложения в ряд Фурье 0=0.5, n=sin(0.5n )/n , где n = 1, 3, 5, 7, … Спектральные составляющие по амплитуде убывают медленно (при n = 31 31=0.01) . Спектр РЧ колебания с АТ содержит несущее колебание с частотой f и боковые колебания с частотами (f ± nF), где n = 1, 3, 5, 7, … с коэффициентами модуляции, прямо пропорциональными n . Для n = 31 занимаемая полоса частот РЧ колебания
при скорости 20В составит 2 f=62F=31В=620 Гц. При скорости 100 В – 3,1 кГц. |
|
Практически спектр уже из-за нестрогой прямоугольности импульсных посылок. |
|
Узкая полоса частот, занимаемая сигналом при АТ, дает возможность сужать |
|
полосу пропускания входной цепи приёмника, и, следовательно, увеличить |
|
отношение сигнал-шум, что позволяет увеличить дальность и надёжность связи. |
|
Именно это обусловливает применение АТ для некоторых видов спецсвязи, в том |
24 |
числе и для передачи сигналов бедствия на морских и океанских судах. |
|
При АТ достаточно управлять открыванием и закрыванием АЭ в одном из каскадов ВЧ тракта передатчика. Рационально осуществлять манипуляцию на низком уровне мощности. Существует множество модификаций схем амплитудной манипуляции, основанных на подаче запирающего напряжения на управляющий электрод АЭ. При АТ важно, чтобы при запирании АЭ не было просачивания (прохождения) сигнала со входа на выход.
Часто применяют одновременную манипуляцию двух последовательных каскадов, что позволяет обеспечить более надёжное запирание, исключающее прохождение сигнала в периоды пауз на выход.
Для приёма на слух незатухающих колебаний при АТ используются приёмники с дополнительным (вторым) гетеродином. Промежуточная частота после первого гетеродина и частота второго гетеродина определяют частоту биений (600-1200 Гц), хорошо воспринимаемую на слух. Приём на слух является самым чувствительным методом приёма телеграфных сигналов.
Тонально манипулированные посылки получаются путём дополнительной АМ модуляции ВЧ колебания с коэффициентом модуляции не более 20…30% одно- тональным сигналом с частотой FТ = 400…1000 Гц, что делает возможным приём на слух любым приёмником АМ колебаний. Однако это приводит к расширению спектра высокочастотного сигнала и к снижению энергетических характеристик передатчика.
25
На рис. а, б приведены некоторые из возможных схем осуществления амплитудной манипуляции в радиопередатчиках.
В схеме б на транзисторе VT1 выполнен ВЧ генератор, в котором должна осуществляться амплитудная манипуляция.
На транзисторе VT2 выполнен электронный ключ, управляющий смещением транзистора ВЧ генератора. При подаче на вход транзистора VT2 импульса отрицательной полярности транзистор из закрытого состояния переходит в режим насыщения и шунтирует резистор R2. В результате транзистор VT1 ВЧ генератора переходит в нормальный режим работы со смещением равным нулю и углом отсечки 900.
При отсутствии на входе транзистора VT2 отрицательного импульса транзистор надёжно закрыт напряжением источника +ЕБ, а транзистор VT1 закрыт напряжением, снимаемым с
резистора R2 делителя напряжения источника -ЕИ.
Для нейтрализации прямого прохождения ВЧ сигнала со входа на выход и наоборот между коллектором и базой +ЕБ транзистора VT1 может быть включена индуктивность нейтрализации LН.
V
+ЕА
VТ
– ЕС
+ЕБ
а
LН 
VT1
–ЕИ |
R1 |
|
|
+ЕК |
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
VT2 |
б |
|
|
26
ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ОМ).
Спектр АМ колебания, модулированного по амплитуде одним тоном с частотой , состоит из трёх гармонических составляющих: например, для анодного тока имеет вид:
iА1 IА1Н cos 0t 0.5mI А1Н cos 0 t 0.5mI А1Н cos 0 t
При ОМ подавляется одна из боковых полос и ослабляется несущая. В общем виде сигнал с ОМ можно представить в виде
uОМ kНU0 cos 0t 0.5m t U0 cos 0t СР t
где kн – коэффициент ослабления несущей; kнU0= Uн – амплитуда несущей; 0,5m(t)U0 – амплитуда боковой полосы; ср – средняя частота спектра модулирующего сигнала; t – мгновенная фаза модулирующего сигнала, знак «+» относится к ВБП, знак «-» - к НБП.
В отличие от АМ, ЧМ или ФМ, в которых при модуляции изменяется только один параметр – амплитуда или фаза, при ОМ меняются оба параметра – и амплитуда, и фаза. Поэтому ОМ модуляцию называют еще амплитудно-фазовой.
Напряжение при ОМ можно представить как произведение огибающей и ВЧ колебания с фазовой модуляцией:
uОМ t UОГ t cos 0t t
27
Используют следующие типы излучений с ОМ:
Н3Е - несущая подавлена на 6 дб (kН=0,5), при m=1 Uб=Uн
R3E - несущая подавлена на 12 дб (kН=0,25), при m=1 Uб=2Uн J3E - несущая подавлена на >40 дб (kН<0,01)
АМ
kН=0.5
kН=0.25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Спектры НЧ и ВЧ сигналов с |
|
|
|
|
амплитудной и однополосной |
|
kН<0.01 |
|
модуляциями. |
|
|
ОМ - транспонирование (перенос) |
|
|||
|
|
|
||
|
|
спектра модулирующего сигнала в |
|
|
|
Эпюры колебаний для излучений А3E, |
область ВЧ без инверсии (б) или с |
|
|
|
инверсией (г) спектра. |
28 |
||
|
H3E, R3E, J3E при m= 1; 0.5; 0.25. |
|||
Радиосвязь на одной полосе частот (ОБП) более эффективна, чем 2-полосная связь при АМ.
При ОБП несущая и одна из боковых полос подавляются. Ток в антенне меняется по гармоническому закону:
iA=IAбокcos( 0+ )t,
Амплитуда ВЧ тока IAбок зависит от коэффициента т и не меняется за период модуляции. Это позволяет довести ток IAбок до максимального значения тока в
антенне (IAмол(1+m)) при AM:
IAбокMAX=m IAmax= m IAмол(1+m) т.е. до 2IAмол
при той же максимальной мощности АЭ выходного каскада.
Полезный сигнал на выходе линейного детектора
приемника при АМ: UДЕТ[АМ]=kmIAМОЛ
Напряжение на выходе детектора приемника при
ОБП: UДЕТ[ОБП]=kmIAmax=kmIAМОЛ (1+m)
Выигрыш по напряжению:
В= UДЕТ[ОБП] / UДЕТ[АМ]=(1+m)
А по мощности в (1+m)2 раз.
АМ ОБП Например, для m=1 выигрыш по напряжению – 2, а по мощности – 4.
Рис. Векторная диаграмма процессов |
29 |
при АМ (а) и при ОБП (б) |
Кроме этого, полоса частот при ОБП уменьшается вдвое. При равномерном спектре это приводит к увеличению отношению С/Ш в 2 раз по напряжению, и в 2 раза по мощности на входе приемника.
Таким образом, общий выигрыш по мощности при ОБП по сравнению с АМ достигает 8 раз благодаря лучшему использованию АЭ по мощности в РПУ и уменьшению полосы пропускания приемника.
На КВ из-за особенностей распространения радиоволн возможен выигрыш еще до 2 раз, т.к. там присутствует фазовый сдвиг между боковыми полосами.
Таким образом, общий выигрыш по мощности при переходе от AM к ОБП составляет 8 ... 16 раз (9-12 дб), (при условии подавления амплитуд токов несущей и второй боковой частоты на 40 дБ и больше по сравнению с выделяемой.)
Энергетические характеристики.
Ток 1-й гармоники в коллекторной цепи выходного каскада
iК1= IК1БОКcos{ 0+ }t,
Постоянная составляющая коллекторного тока связана с током 1-ой гармоники
IК0 МАХ=IК1МАХ /g1( ),
через коэффициент формы тока, откуда
IК0=mIК0 МАХ.
Мощность, развиваемая в цепи коллектора и потребляемая от источника
P1= m2 P1 МАХ , P0= m P0 МАХ
УМ ОБП – это устройство с переменным потреблением мощности, которая пропорциональна m.
В режиме молчания она минимальна. |
30 |
|
КПД коллекторной цепи пропорционален m
hЭ Р1 mР1[max] mhЭ [max] Р0 Р0[max]
РПУ с ОБП дают выигрыш по мощности и экономичнее, чем РПУ с АМ, занимают меньшую полосу частот.
Для восстановления информационного сигнала на приемной стороне необходимо восстановить несущую частоту синхронно с несущей при передаче. Расхождение частот д.б. не более 10 Гц для телефонии и не более 1 Гц для радиовещания.
Первые два типа излучений (H3E и R3E) позволяют использовать остаток несущей в качестве опорного сигнала для автоподстройки частоты несущей (гетеродина).
Для излучения J3E необходимо применять высокостабильные автогенераторы в радиопередатчике и приёмнике с нестабильностью (для несущей частоты 20 МГц) не хуже ±10-7…0,5·10-7 при радиовещании, и не хуже ±0,5·10-6 при телефонии.
Необходимо иметь в виду, что уходы частот автогенераторов в передатчике и приёмнике могут оказаться противоположными по знаку, что делает требования к стабильности частот ещё более жёсткими.
Недостатки: необходима высокая стабильность несущей частоты в РПУ и приемнике (гетеродине), жесткие требования к СМХ. Значительно усложняются схемы передатчика и приемника .
31
Структурные схемы возбудителей и передатчиков с ОМ
РПУ с ОБП строят по многокаскадной схеме. Колебания с ОБП формируют в маломощном возбудителе, а затем усиливают до заданного уровня мощности в каскадах, работающих с =90 для уменьшения нелинейных искажений.
Очевидный способ подавить несущую и боковую полосу фильтром, неприменим из-за трудности получить необходимую АЧХ даже с помощью кварцевых или электромеханических фильтров в диапазоне частот выше 0.1 1.0 МГц.
Реально применяют метод повторной балансной модуляции (ПБМ).
Балансные модуляторы (БМ) позволяют получить АМ с подавленной несущей. В качестве БМ можно использовать два обычных модулируемых каскада, работающих на общую RН рис. а, б. Если в нагрузке токи АЭ вычитаются, то каскады необходимо модулировать НЧ напряжением в противофазе, а ВЧ подавать синфазно (U >>U ).
АМГ1 |
i1 |
|
АМГ1 |
|
|
|
i1- i2 |
||
|
|
|
||
Ω |
|
|
Выход Ω |
ω |
|
ω |
|
|
|
|
АМГ2 |
i2 |
|
АМГ2 |
|
|
|
||
|
а |
|
|
б |
i1 |
i1+ i2 |
|
|
|
Выход |
i2 |
|
Рис.
i1=IH(1+mcos t) cos t, i2=IH(1-mcos t) cos t, iрез=i1- i2=2mIH cos t cos t=
=mIH[cos ( )t+cos ( )t]. iрез=i1+ i2=2mIH cos t cos t=
=mIH[cos ( + )t+cos ( )t]
32
Д
|
L |
|
Ω |
ω |
|
Выход |
||
|
||
|
С1 С2 |
ω
U >>U
iД
iД МАКС
iД Н iД МИН
0
еД
var iДvar
uLC2var
ωt 
Широкое применение нашли балансные модуляторы на диодах. Принцип осуществления амплитудной
модуляции с использованием диода отражен на рис.. К диоду Д прикладываются напряжение
модулирующего сигнала с частотой Ω и напряжение модулируемого сигнала с частотой ω. Модулирующий сигнал изменяет напряжение смещения на диоде.
При отсутствии модулирующего сигнала через диод Д протекает ток iдн в виде импульсов
косинусоидальной формы с частотой ω. Колебательная система LC2 выделяет из них ток первой гармоники с амплитудой, соответствующей режиму молчания.
При появлении модулирующего сигнала с частотой Ω изменяются амплитуда и угол отсечки тока диода.
Амплитуда импульсов тока диода изменяется в пределах iД МАКС, iД МИН, в соответствии с ней изменяется напряжение на выходном контуре LC2.
Основные недостатки: малые Кр, m, высокий уровень
комбинационных частот mω±nΩ. |
33 |
|
Д1 |
|
|
Д1 |
R |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
R |
Д3 |
|
|
|
|
|
|
Ω |
С1 С2 |
Выход |
Ω |
R |
Выход |
|
|
|
|
|
Д4 |
|
Д2 |
|
|
Д2 |
R |
|
б |
|
в |
|
|
|
|
|
|
||
|
ω |
Рис. |
|
|
ω |
|
|
|
|
|
Основным недостатком их является большое число комбинационных частот . Часто применяют БМ на 4-х диодах, включенных по «кольцевой схеме» рис. в.
(двухтактно-параллельная схема БМ), которые обеспечивают подавление несущей частоты на 35-45 дб и лучшее подавление комбинационных частот. Последовательно с диодами включают резисторы для выравнивания их RПР- чем точнее симметрия схемы, тем лучше подавление несущей частоты.
Для выделения нужной боковой полосы необходим полосовой фильтр с крутизной ската (скатов) АЧХ не менее
SФ=40 дб/200 Гц=0,2 дб/Гц
что на ВЧ практически недостижимо при помощи
Рис.
LC –фильтров. |
34 |
|