204

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева

Г.И. Ильин, Ю.Л. Комаров

Устройства формирования радиосигналов

Учебное пособие

Казань 2013 г.

Введение

Настоящее время является временем информационных технологий и коммуникационных систем. Основным носителем информации являются сигналы. Сигнал как физический процесс предназначен для передачи сообщений, содержащих информацию. Радиосвязь, радиовещание, телевидение, радиолокация и многие другие технические отрасли радиотехники базируются на передаче сигналов с помощью электромагнитных волн излучаемых через антенну. Длина волны излучаемых колебаний соизмерима с геометрическими размерами антенны. Звуковая информация и видеосигналы содержатся в диапазоне низких частот от единиц герц до десятков килогерц. Поэтому для передачи информации используются высокочастотные колебания как переносчика полезного сообщения. Процесс переноса спектра колебаний, несущих в себе информацию, осуществляется управлением низкочастотными колебаниями высокочастотных. Управляющий сигнал изменяет параметры высокочастотного сигнала по закону передаваемой информации. В высокочастотном колебании могут изменяться амплитуда, частота, фаза или их комбинация. Процесс управления амплитудой высокочастотных колебаний называется амплитудной модуляцией. Процесс управления частотой или фазой высокочастотных колебаний называется угловой модуляцией. Передача информации с помощью импульсной модуляции сообщение может содержаться в амплитуде, длительности импульсов, а также в частоте следования их или в количестве импульсов в кодовой последовательности.

Модуляцию можно рассматривать как процесс наложения одного колебания на другое.

Передаваемый сигнал, содержащий информацию, называют модулирующим или управляющим, а высокочастотные колебания, переносчики информации, называются управляемыми или модулируемыми.

Частота модулирующего сигнала должна быть на один и более порядков ниже модулируемого.

Число ступеней модуляции: одноступенчатая, двухступенчатая, трёхступенчатая.

Передаваемая информация осуществляется аналоговым, цифровым или импульсным радиосигналом.

Непрерывная информация, со скачкообразным изменением управляемого параметра называют манипуляцией.

Особый интерес представляют фазовые РТС, содержащие узкополосные линейные системы, в которых фаза гармонического колебания изменяется скачком на заданную величину в диапазоне от 0⁰ до 360⁰ . К ним относятся системы передачи информации, радиолокации, спутниковой навигации. В фазовых РТС искажению подвергаются как фазовая структура радиосигнала, так и его огибающая, что приводит к межсимвольным искажениям. Поскольку символьная синхронизация радиосигнала осуществляется по амплитуде огибающей, то стабильность символьной частоты в итоге и определяет вероятность ошибки на 1 бит.

Важнейшими параметрами, характеризирующими различные виды модуляции, являются:

- спектр частот, определяющий полосу сигнала;

- стабильность несущей частоты;

- КПД устройства;

- помехоустойчивость.

Высокочастотное колебание, модулированное полезным сообщением, называется радиосигналом. Формирование радиосигнала осуществляется в радиопередатчике, который содержит высокочастотный и низкочастотный каналы.

В высокочастотном канале создаются высокочастотные колебания несущей частоты, умножение, усиление по мощности до требуемого уровня.

В низкочастотном канале вырабатывается колебания, изменяющиеся по закону передаваемой информации, которые управляют высокочастотными колебаниями.

Описание модулированных сигналов возможно в рамках временного и спектрального методов. Для неискажённого приёма модулированного сигнала полоса пропускания всех высокочастотных каналов должна быть равна или шире спектра излучаемого сигнала. Спектр модулированного сигнала не должен выходить за выделенную данному каналу полосу излучения.

Излучения, находящиеся за полосой излучаемого сигнала, называются внеполосными. Уровень внеполосных излучений не должен превышать строго нормированной величины.

Если на одной частоте несущих колебаний f_нес требуется передавать информацию от нескольких источников, то используется многоступенчатая модуляция. В этом случае каждое сообщение модулирует свою индивидуальную частоту, называемую поднесущей частотой. Далее все разные поднесущие частоты объединяются в общий групповой сигнал, модулирующий основную несущую частоту канала (рис. 1 ).

Источник 1

Генератор 1fп

Источник2

Генератор 2 fп

Сумматор сигналов

Генераторнесущей частоты fн

-. -. -. -. -. -.- -. -. -. -. -. -. -. -.

Выходной Усил. Мощ.

-. -. -. -. -. -. -. -. -. -. -. -. -. -. -. -.

Источник n

Генератор n fп

Рис. 1. Структурная схема многоступенчатой модуляции.

Каждая поднесущая частота может управляться разными видами модуляции, а также возможны варианты комбинированной модуляции, т.е. ЧМ-ФМ; ЧМ-ЧМ; ФМ-ФМ и др.

Глава 1

1.1 Общее положение

Передаваемое сообщение может быть речевая, телевизионная, факсимильная, телеметрическая и другая информация, в том числе и считываемая с компьютера. Сообщение может передаваться в форме аналогового или цифрового сигнала. При аналоговом сообщении. основным параметром является полоса частот, занимаемая сигналом,- при цифровом – число бит в секунду, т.е. количество единиц цифровой информации в секунду. Любое сообщение передаётся управляющим сигналом, который принято называть модулирующим. Процесс модуляции заключается в наложении на несущее колебание исходного сообщения. При этом модулирующий сигнал должен точно соответствовать передаваемому сообщению, т.е. полезной информации.

Таким образом, модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемой информации. Передаваемое сообщение трансформируется в сигнал, управляющий высокочастотными колебаниями. При передаче аналогового сигнала частота модулирующих колебание должна быть на один и более порядков ниже высокочастотного колебания, т. е. несущей частоты.

В общем виде излучаемый сигнал записывается:

U_ВЫХ=U(t)Cos[ωt+Ψ(t)+Ψ₀].

В зависимости от того какой параметр сигнала изменяется, различают:

- амплитудная модуляция (АМ)- изменяется U(t);

- частотная модуляция (ЧМ) – изменяется ω(t);

- фазовая модуляция (ФМ) – изменяется Ψ(t);

- импульсная модуляция (ИМ) – соответствует амплитудной модуляции со скачкообразным изменением амплитуды;

- однополосная модуляция (ОМ).

Непрерывное сообщение со скачкообразным изменением управляемого параметра называется манипуляцией.

Для неискажённой радиосвязи полоса пропускания всех высокочастотных трактов радиопередатчика и приёмника должна быть больше или равна ширине спектра излучаемого сигнала. Спектр модулирующего сигнала не должен выходить за выделенную каналу допустимую полосу частот излучения.

Излучения, лежащие за пределами выделенной полосы частот для передачи информации, называются внеполосными. Их уровень не должен превышать строго нормированной величины, чтобы не создавать помехи другим радиостанциям, работающим на частотах соседних каналов.

Ширина спектра модулированного высокочастотного сигнала Δω зависит от полосы спектра передаваемой информации и от вида модуляции. Параметр, позволяющий сравнивать различные виды модуляции, является база сигнала:

В= Т Δω,

где Т – длительность элементарной посылки (элемента посылки).

При передаче аналоговой информации верхняя частота спектра F связана с параметром Т (длительностью сигнала), соотношением Т=1/2F, поэтому база сигнала принимает вид:

В= Δω/2F.

При передаче цифровой информации двоичным кодом, состоящим из логических 1 и 0, величина длительности элементарной посылки равна Т=1/V. В этом случае база сигнала определяется:

В= Δω/V,

где V – скорость передачи элементарных посылок.

При базе сигнала В=1 высокочастотный модулированный сигнал называется узкополосным, при В>>1 называется широкополосным.

Вид модуляции и значение базы сигнала В оказывают существенное влияние на помехоустойчивость радиотехнической системы, а также на получение необходимого соотношения сигнал/шум, для надёжного распознавания целей и устойчивой радиосвязи.

В идеальном случае радиопередатчик должен излучать сигнал на несущей частоте со спектром, укладывающимся в выделенную полосу частот канала. Однако, вследствие характера нелинейных процессов, протекающих в каскадах радиопередатчика, в спектре излучаемого сигнала появляются побочные составляющие, лежащие за пределами, но вблизи выделенной полосы частот, которые называются внеполосными. Кроме того радиопередатчик может излучать гармоники основной частоты, т. е. 2ω,3ω и т.д., а также субгармоники, т.е. на более низких частотах ω/n.

Исключить полностью побочные излучения невозможно, поэтому устанавливается норма на их уровень, как правило, в относительных единицах к мощности полезного излучения. Обычно эта норма составляет более 60 дБ по мощности. Эти требования определяются электромагнитным полем, образуемымся вокруг Земли и «диктуются» проблемой электромагнитной совместимостью, т.е. с одновременной работой нескольких радиотехнических систем без взаимного влияния друг на друга. Кроме того на Землю приходят сигналы из космоса и от спутников, на каждом из которых установлено по несколько радиостанций. Только систем дальней спутниковой - космической радиосвязи в мире насчитывается более 50. При этом следует рассматривать электромагнитную совместимость радиотехнической аппаратуры, работающей в пределах одного объекта.

На современных объектах: самолётах, кораблях, танках, бронетранспортёрах, спутниках располагаются разнообразная радиотехническая аппаратура, относящаяся к разным системам и работающая в разных частотных диапазонах. Все радиотехнические системы содержат радиопередатчики и радиоприёмники, которые не должны влиять друг на друга при одновременной работе. Только при условии выполнения требований на допустимые нормы побочного излучения может быть решена проблема электромагнитной совместимости различных систем радиоаппаратуры, работающей на одном объекте или в ограниченном пространстве.

Космическая радиосвязь со спутниками охватывает обширную территорию Земли, например, Россию. Поэтому, чтобы радиоизлучения со спутников не влияли на наземные средства радиосвязи, мощность спутникового радиопередатчика ограничивается. Вводится норма на плотность потока мощности, создаваемого излучениями спутника у поверхности Земли, которая не должна превышать – 152 дБ Вт/м² в полосе 4 кГц.

Одновременно вводятся жёсткие требования на побочные излучения радиовещательных и телевизионных наземных радиопередатчиков для исключения взаимного влияния друг на друга.

В каждой стране созданы государственные службы, регламентирующие весь комплекс вопросов, связанных с радиоизлучением. Эти службы выдают лицензии фирмам на право работать в определённом диапазоне на строго фиксированных частотах, регламентируют нормы на параметры радиоэлектронных систем, в том числе на допустимые побочные излучения радиопередатчиков. Выходить в эфир без разрешения этих служб запрещено и уголовно наказуемо. Распределением частот, вопросами нормирования параметров радиоэлектронных систем, исследованием всего комплекса технических характеристик, связанных с передачей и приёмом радиосигналов, занимается Международный союз электросвязи (МСЭ), членом которого является Россия. МСЭ, исследует технические проблемы, относящиеся к космической, воздушной, морской и наземной подвижной и стационарной радиосвязи, радионавигации и радиолокации. Он разрабатывает рекомендации по организации всемирной службы передачи стандартных частот, сигналов времени и др. Существует частота для передачи срочных, аварийных сообщений. В УКВ радиосвязи «аварийная частота» равна 121,5 МГц.

При амплитудной модуляции сигнал всегда является узкополосным, при фазовой и частотной может быть узкополосным или широкополосным в зависимости от индекса модуляции.

Радиоизлучения во всех системах должны соответствовать международным нормам.

1.2 Амплитудно – модулированные колебания.

При АМ колебание амплитуды, как мы уже сказали, является функцией времени вида I_m(t)= I_m[1+f(t)]. Функция f(t), выражающая изменение параметра в такт с модулирующим сигналом, называется модулирующей функцией.

Амплитудно – модулирующий ток можно получить различными способами. Самым простым, (наглядным) путем является изменения в такт с модулирующим сигналом сопротивления, к которому приложено напряжение высокой частоты. Выражение АМ колебаний записывается в общем виде следующим образом i = I_m[1+f(t)]cos(ω₀t + φ₀).

Колебание, представленное членом I_m cos(ω₀t + φ₀) называется несущим, а ω₀ является несущей частотой. Самое простое выражение модулирующей функции f(t) – синусоидальная функция времени f(t)=mcos(Ωt + φ_Ω). В этом случае амплитудно – модулированное колебание может быть представлено выражением:

i = I_m[1+ mcos(Ωt + φ_Ω) cos(ω₀t + φ₀),

где m –индекс модуляции (глубина модуляции), Ω – частота модуляции.