МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ»

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. А. СОЛОВЬЕВ

Современные методы формирования радиосигналов

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ »

2013

УДК 621.396 (075)

ББК З841я 7

С 60

Соловьев А. А.

С 60 Современные методы формирования радиосигналов: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 118 с.

ISBN 978-5-7629-1400-0

Содержит основные вопросы теории стабильности частоты и влияния нестабильности на характеристики радиотехнических систем различного назначения. Рассмотрены принципы функционирования и построения синтезаторов частот и квантовых стандартов частоты. Изложены методы повышения энергетических и качественных показателей и линейности трактов усиления сигналов с изменяющейся амплитудой.

Предназначено для подготовки магистров по направлениям «Радиотехника» и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» при изучении дисциплин « Современные методы формирования радиосигналов» и «Приемопередающие устройства» и при выполнении магистерской диссертации.

УДК 621.396 (075)

ББК З841я 7

Рецензенты: кафедра радиоэлектронных средств защиты информации СПбГПУ; канд. техн. наук, проф. каф. «Радиоэлектроника» ГМА им. адмирала С. О. Макарова В. Н. Рябышкин.

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

I

SBN 978-5-7629-1400-0 СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

Введение

Устройства формирования радиосигналов – это источники радиочастотных колебаний, используемых в различных телекоммуникационных и радиотехнических системах. Их назначение – сформировать радиосигнал с требуемыми для данной системы характеристиками и подвести его к антенне или к линии связи.

Радиосигналом называется электромагнитное колебание, один или несколько параметров которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением (информацией). При этом под сообщением будем понимать совокупность сведений, подлежащих передаче и преобразованных в электрический сигнал , являющийся функцией времени. Содержанием передачи является информация, т. е. сведения, которые не известны получателю до приема сообщения. В соответствии со сказанным, напряжение радиосигнала может быть представлено в виде

,

где ,,– мгновенные амплитуда, частота и фаза радиосигнала;– несущая частота радиосигнала,– его начальная фаза.

Если представляет собой аналоговый сигнал, изменение параметров радиосигнала осуществляется в процессе модуляции. При этом в зависимости от того, какой из параметров изменяется пропорционально модулирующему сигналу, различают амплитудную, частотную, фазовую или комбинированные виды модуляции.

Амплитудная модуляция применяется в радиовещании, связи, телевидении. Частотная – в высококачественном радиовещании, телевидении, в радиорелейных, тропосферных и космических многоканальных линиях, в радиолокационных системах непрерывного излучения. Фазовая модуляция – в системах радиосвязи. Примером комбинированной модуляции, широко используемой в профессиональной радиосвязи и телевидении, служит формирование радиосигнала на одной боковой полосе.

Основное требование к радиосигналу, связанное с выбором способа модуляции, – получение заданной точности воспроизведения модулирующего сигнала на приемной стороне канала связи. В устройстве формирования радиосигнала точность воспроизведения определяется качеством модуляции, которое характеризуется допустимыми искажениями: частотными, фазовыми, нелинейными и т. п.

Для передачи дискретных сообщений в телекоммуникационных и радиотехнических системах применяются сигналы с дискретными видами модуляции (манипуляции).

При скачкообразном изменении амплитуды применяется амплитудно-импульсная модуляция (амплитудная манипуляция АМ), используемая, например, в многоканальных системах связи с временным разделением каналов и в радиолокационных системах.

В системах с цифровой передачей информации могут скачкообразно изменяться и параметры угловой модуляции. При этом различают сигналы с двухуровневой фазовой манипуляцией ФМ-2, многоуровневой фазовой манипуляцией ФМ-N (N = 4, 8, 16…) и частотной манипуляцией.

К комбинированным видам манипуляции можно отнести импульсную модуляцию амплитуды с внутриимпульсной модуляцией частоты по линейному закону; одновременную кодовую манипуляцию амплитуды и фазы (квадратурная амплитудная модуляция (КАМ)); манипуляцию частоты при непрерывной фазе (минимальная частотная модуляция (МЧМ)), и др.

Выбор вида манипуляции определяется требованиями к качеству радиотехнической системы передачи информации, к электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами, условиями формирования, излучения, распространения, приема и обработки сигнала.

Так, например, при использовании радиопередающих устройств, работающих в режиме ограничения пиковой мощности, применяется фазовая или частотная манипуляция, обеспечивающие значение пик-фактора формируемых колебаний, равное 1. Необходимость построения простых схем тактовой и фазовой синхронизации в радиоприемных устройствах приводит к использованию амплитудной или амплитудно-фазовой манипуляции.

При амплитудной манипуляции = 0, а вид функцииопределяется значениями символов канального алфавита. Угловые виды манипуляции (частотная и фазовая) предполагают постоянное значение=, а символы канального алфавита определяют закон изменения мгновенной частотыили фазы.

Необходимо отметить, что вне зависимости от вида используемой модуляции (манипуляции) радиосигнал является узкополосным, т. е. полоса частот =, в которой сосредоточена подавляющая часть мощности радиосигнала, существенно меньше его несущей частоты.

В спектральной области радиосигнал характеризуется несущей частотой и необходимой полосой частот, обеспечивающей требуемую скорость и качество передаваемой информации. С энергетической точки зрения при амплитудных видах модуляции задаются средняя и пиковая мощности сигнала, а при работе в импульсном режиме указываются мощность в импульсе и параметры модулирующей последовательности. В случае угловой модуляции (манипуляции) задается мощность сигнала, а в ряде случаев и точность ее поддержания.

Естественно, что требования, предъявляемые к «идеальному» радиосигналу, в значительной степени определяют и требования к реальному сигналу, сформированному в технически реализуемом устройстве, например в радиопередатчике. В этом случае в спектральной области помимо следует задать допустимую погрешность установки номинального значения несущей частотыи нестабильность несущей частоты, задаваемые в абсолютных или относительных единицах. Оговаривается и занимаемая сформированным сигналом полоса частот, в которой сосредоточено 99 % мощности сигнала и которая превышает необходимую полосу. Требования электромагнитной совместимости радиопередатчика с другими радиоэлектронными устройствами ограничивают допустимый уровень любых побочных спектральных составляющих, лежащих вне рабочей полосы частот, включая внеполосные излучения, излучения на гармониках и субгармониках и шумовые излучения. Достаточно жесткие требования предъявляются и к отмеченным ранее искажениям, возникающим при осуществлении модуляции и приводящим к искажению спектра сформированного сигнала внутри занимаемой им полосы и к росту внеполосных излучений.

С энергетической точки зрения помимо требования обеспечения заданной мощности радиосигнала основной характеристикой является и коэффициент полезного действия (КПД) устройства формирования, определяющий его энергетическую эффективность. При необходимости работы передатчика в широком диапазоне рабочих частот важной характеристикой является и допустимое изменение мощности формируемого сигнала при изменении несущей частоты в пределах требуемого диапазона.

Сформулированные требования к точностным, энергетическим и качественным характеристикам устройств формирования радиосигналов зачастую исключают друг друга. В первую очередь это касается одновременного обеспечения высокой стабильности несущей частоты, возможность работы в широком диапазоне частот, заданного качества модуляции (допустимого уровня искажений), требуемой мощности формируемого сигнала и высокого КПД устройства. Поэтому современные устройства формирования радиосигналов выполняются многокаскадными, что позволяет распределить реализацию отмеченных требований между отдельными каскадами.

В соответствии со сказанным содержательная часть дисциплины «Современные методы формирования радиосигналов» содержит следующие разделы:

• стабильность частоты генераторов гармонических колебаний и ее влияние на характеристики радиотехнических систем различного назначения;

• цифровые синтезаторы частоты, методы построения и основные функциональные узлы синтезаторов;

• квантовые стандарты частоты;

• методы и устройства повышения линейности усилительных трактов;

• использование ключевых режимов генераторных приборов при формировании сигналов с изменяющейся амплитудой.