1.2 Основы радиосвязи
В канале радиосвязи
используется поле электромагнитных
волн, для возуждения которых служит
передающая антенна. Если ток в антенне
и ее размеры ограничены, то дальность
связи находится в прямой зависимости
от частоты изменения тока в антенне. В
этом одна из причин того, что по каналу
радиосвязи передаются только
высокочастотные колебания. Низкочастотный
сигнал управляет одним из параметров
этих колебаний (амплитудой
,
частотой
или фазой
):
, (1.1)
где
- начальная фаза.
Высокочастотные
колебание как бы несет на себе информацию
и называется несущим, а его частота –
несущей частотой
.
Процесс управления каким-либо параметром высокочастотного колебания с помощью низкочастотного сигнала называется модуляцией. Различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции в зависимости от того, каким параметрам несущего колебания управляет низкочастотный сигнал – амплитудой, частотой или фазой.
Найдем спектр АМ колебания при гармоническом модулирующем сигнале (рис. 1.1, а):
(1.2)
Колебания несущей частоты изменяется по закону:
,
(1.3)
где для упрощения
принято, что
.
В процессе модуляции изменяется амплитуда несущей частоты (рис.1.1, б):
,
(1.4)
где
- амплитуда немодулированного колебания,
,
где
- коэффициент передачи модуляционного
устройства.
Подставляя (1.5) в (1.4), получим:
(1.5)
где
(1.6)
-коэффициент амплитудной модуляции.
Таким образом,
спектр АМ колебаний при гармоническом
модулирующем сигнале состоит из трех
составляющих (рис.1.1 в): несущей частоты
,
нижней боковой частоты (
)
и верхней боковой частоты (
).
Амплитуды составляющих зависит от
коэффициента модуляции m.
Обычно амплитуда неизвестна, поэтому коэффициент модуляции проще определять по формуле (см.рис.1.1)
(1.7)
Рис.1.1. Амплитудная модуляция гармоническим сигналом:
а – модулирующий сигнал; б – модулированные колебания; в – спектр модулированных колебаний.
Если модулирующий
сигнал сложный и содержит составляющие
с частотами от
до
,
то каждой из них соответствует своя
составляющая нижней и верхней боковых
частот модулированного колебания.
Поэтому спектр АМ колебаний в общем
случае содержит две боковые полосы
частот (рис.1.2). Следовательно, ширина
спектра сигнала в канале радиосвязи
в два раза больше, чем ширина спектра
модулирующего сигнала.
Разновидностью
амплитудной модуляции является импульсная
модуляция (рис.1.3). Модулироваться может
любой параметр импульсов:
(
)
и т.д. Эти виды модуляции применяются в
телеметрии и системах управления.
Рис.1.2 Схематическое изображение спектра колебаний, модулированных по амплитуде сложным сигналом
Рис. 1.3 Импульсная модуляция
При частотной и
фазовой модуляциях амплитуда несущих
колебаний остается постоянной, изменяется
только частота или фаза (рис.1.4). Графические
изображения ЧМ и ФМ при гармоническом
модулирующем сигнале совпадают. Между
частотой
и фазой
существует соотношение:
Рис. 1.4. Частотная модуляция гармоническим сигналом:
а - модулирующий сигнал; б - модулирование колебания.
(1.8)
Поэтому ЧМ и ФМ колебания могут быть представлены в виде:
(1.9)
В
случае частотной модуляции гармоническим
сигналом:
(1.10)
В
еличина
, где - коэффициент
передачи частотного модулятора,
называется девиацией частоты, а
отношение
(1.11)
называется индексом частотной модул ции
С
пектр
ЧМ колебаний может быть получен, если
воспользоваться бесселевыми функциями
для разложения в ряд Фурье колебания
вида (1.10). Можно показать, что при
ширина спектра равна удвоенной
девиации частоты:
(1.12)
П
ри
малых спектры ЧМ и АМ колебаний
аналогичны.
Блок – схема канала радиосвязи представлена на рис.1.5. Процессы, протекающие при амплитудной модуляции гармоническим сигналом, иллюстрируются графиками напряжений и их спектрами, приведенными на рис. 1.6 (цифры на графиках соответствуют обозначениям на рис.1.5).
Несущее колебание
вырабатывается генератором высокой
частоты ГВЧ. Амплитудная модуляция
осуществляется в модуляторе М, куда
поступает напряжение от источника
сигнала ИС. Модулированный по амплитуде
ток несущей частоты с помощью антенны
возбуждает в окружающем антенну
пространстве электромагнитное поле.
Цепь тока замыкается через емкость
антенна – земля или через емкость между
двумя изолированными друг от друга
элементами антенны.
Напряженность
поля изменяется так же, как и ток в
передающей антенне. Поэтому и ЭДС,
наводимая электромагнитным полем в
приемной антенне
,
изменяется по тому же закону. Детектор
Д, состоящий из выпрямителя В и фильтра
Ф, выполняет операцию детектирования,
т.е. выделения из принятых модулированных
колебаний низкочастотного сигнала.
При детектировании
образуются модулированные по амплитуде
косинусоидные импульсы тока. Информация
в данном случае заключена в составляющей
с частотой F спектра
импульсов и выделяется фильтром Ф,
который пропускает полосу частот
.
Отделяя постоянную составляющую сигнала
с помощью конденсатора, можно выделить
монохроматическое колебание частоты
F. Последнее в оконечном
устройстве ОУ (например, динамическом
громкоговорителе) преобразуется в
передаваемое сообщение.
Рис.1.5. Блок – схема канала радиосвязи
При детектировании образуются модулированные по амплитуде косинусоидные импульсы тока. Информация в данном случае заключена в составляющей с частотой F спектра импульсов и выделяется фильтром Ф, который пропускает полосу частот . Отделяя постоянную составляющую сигнала с помощью конденсатора, можно выделить монохроматическое колебание частоты F. Последнее в оконечном устройстве ОУ (например, динамическом громкоговорителе) преобразуется в передаваемое сообщение.
Показанные на рис.1.5 элементы являются принципиально несходимыми, без них радиосвязь невозможна. Обычно передатчик и приемник усложняют.
Так, например, для обеспечения заданной дальности связи перед антенной включают усилитель мощности. В приемник после антенны вводят усилитель высокой частоты (УВЧ), а после фильтра – усилитель низкой частоты (УНЧ).
Рис. 1.6. Графики напряжений и спектры сигналов в канале радиосвязи. Цифры у графиков соответствуют точкам на рис.1.5.