Управление колебаниями передатчика, принципы амплитудной, частотной и однополосной модуляции.

При амплитудной модуляции полезное сообщение содержится в боковых полосах частот спектра AM сигнала, которые полностью повторяют спектр модулирующего сигнала. Эти полосы одинаково и располагаются симметрично относительно несущей частоты. Колебания же несущей частоты непосредственной информации о передаваемом сообщении не содержат. Поэтому для передачи сообщения в принципе достаточно излучать ввида электромагнитной волны лишь одну боковую полосу частот спектра AM сигнала. Модуляция, в результате которой получают колебания с одной боковой полосой частот однополосной (ОМ).

Впервые на возможность такой модуляции указал русский ученый М.В. Шулейкин в 1915-1916 гг., однако практическое осуществление однополосной модуляции вызвало ряд технических трудностей, преодолеть которые оказалось возможным лишь в 60-ее годы.

ОМ сигнал можно получить из обычного AM сигнала путем частичного или полного подавления колебания несущей частоты и одной из боковых полое частот. Спектр частот ОМ сигнала показан на рис. 2:

Рис.2. Спектр частот ОМ сигнала.

ОМ сигналы обладают следующими важными преимуществами перед AM:

1) При передаче ОМ сигналов вся мощность передатчика используется на создание только одной боковой полосы, тогда как при AM мощность передатчика расходуется на создании несущей частоты и двух боковых полос частот;

2) ПриОМ полоса пропускания приемника уменьшается вдвое, что приводит к снижению уровня внутренних шумов и улучшает соотношение сигнал / шум, что эквивалентно увеличению мощности передатчика;

3) При ОМ в диапазоне коротких волн понижается уровень быстрых замираний, которые являются значительной помехой радиоприему;

4) Средняя мощность, потребляемая от источника питания, при передаче ОМ сигнала уменьшается, так как в режиме молчания колебания на выходе передатчика практически отсутствуют.

Расчеты показывают, что однополосная модуляция по сравнению с амплитудной дает экономический выигрыш примерно в 16-20 раз. Кроме того, сужение полосы частот, занимаемой лишь одной линией радиосвязи, позволяет разместить на одном и том же участке диапазона в два раза больше линий связи.

Недостатки однополосной модуляции связаны, во первых, с необходимостью обеспечить высокую стабильность частоты передатчика и приемника (относительная нестабильность частоты б должна быть в пределах 10^–6–10^–7). Другая сложность заключается в том, что частоты боковых полос и несущего колебания очень близки между собой, что делает практически невозможным в области высоких частот выделение одной боковой полосы частот и подавление близко расположенных несущей частоты и другой боковой полосы частот. Поэтому для формирования ОМ сигнала используются сложные схемы возбудителей.

Колебания несущей частоты при формировании ОМ сигнала полностью не подавляются. Всегда имеется в наличии какой-то остаток неподавленной несущей частоты, который называют пилот-сигналом и измеряют в процентах. В зависимости от условий радиосвязи используется различная величина пилот-сигнала: 3%, 10%, 70%. Величина пилот сигнала и конкретная боковая полоса частот, по которой осуществляется передача сообщений указывается в обозначении вида работы: ВБ - 3%; НБ - 10%; и т.д.

При однополосной модуляции возможно 2-канальная работа, при которой по НБП передается одна информация, а по ВБП - другая.

Однополосная модуляция в последние годы нашла широкое применение дляобеспечение телефонной радиосвязи в KB диапазоне.

Амплитудной модуляцией называют такой вид воздействия на высокочастотные колебания,в результате которого их амплитуда изменяется по закону передаваемого сигнала. Для простоты рассмотрения явлений, происходящих при амплитудной модуляции, примем, что модуляция несущей частоты Uн=UнCoswt осуществляется простым гармоническим колебанием UW=UWCosWt, где частота гармонического колебания сигнала W<<w – частоты ВЧ колебания.

Рис. 3 Амплитудная модуляция несущей частоты гармонических колебаний

В результате модуляции амплитуда высокочастотных колебаний должна изменяться пропорционально напряжению полезного сигнала в сторону его увеличения или уменьшения от некоторого среднего значения Uн, т.е.

Uам = Uн + UWCosWt

Уравнение амплитудно-модулированных колебаний имеет вид:

Uaм = (Uн + UWCos Wt)Coswt = Uн(1 + UW / Uн * Cos Wt) Cos wt.

Величина, характеризующая отношение изменения амплитуды колебаний к их амплитуде в отсутствие модуляции, называется глубиной или коэффициентом модуляции m=UW / Uн, (%).

Глубина модуляции обычно берётся в процентах.

Преобразуем уравнение амплитудно-модулированного колебания:

Uам = Uн(l + m *CosWt) Coswt = Uн*Coswt + Uн*m*CosWt*Coswt = Uн*Coswt +

+ Uн*m/2 *Cos(w - W)t + Uн*m/2 *Cos(w + W)t;

Uн*m/2 = Uн*UW/2Uн = UW / 2.

Первое слагаемое представляет собой колебания в режиме молчания, второе
и третье слагаемое отличается от несущей частоты на величину частоты
модуляции и называются соответственно нижней и верхней боковой частотой.
Учитывая, что w = 2pf, a W = 2pF, спектр частот такого колебания будет
иметь вид (рис. 4):

Рис. 4 Спектр AM сигнала при модуляции сигналом постоянной частоты

Если же в качестве модулирующего напряжения используется спектр звуковых частот Fmin¸Fmax, то в результате модуляции будет получено колебание, спектр частот которого будет включать колебание несущей частоты f, a также верхнюю и нижнюю боковые полосы частот (рис.5):

Рис. 5

Не трудно увидеть, что при AM ширина спектра передаваемых частот равна удвоенной максимальной модулирующей частоте. Ширина спектра AM колебаний влияет на полосу пропускания выходных каскадов передатчика, как и на полосу пропускания приёмника.

Рассмотрим, как распределяется мощность передатчика при амплитудной модуляции. Предварительно заметим, что для эффективного использования мощности передатчика целесообразно выбирать глубину модуляции m = UW/Uw возможно больше, в то же время для обеспечения не искаженной работы передатчика необходимо выполнить условие m < 1.

Пусть амплитудно-модулированный сигнал нагружен на активное сопротивление R, тогда мощность выделяемая на нём колебаниями неслтцей частоты составляет: Рн=½*Uн²/R, а верхней или нижней боковой частот Рб = ½ (½Uн×m)²/R = 1/8 • (Uн×m)²/R.

Информация о передаваемом сигнале содержится только в боковых полосах частот, причем даже при максимальном коэффициенте модуляции m =1 мощность колебаний каждой из боковых полос частот не превосходит 25% мощности колебаний несущей частоты.

Передатчик радиостанции необходимо рассчитывать на максимальную мощность. При глубине модуляции 100% амплитуда напряжения, по сравнению с амплитудой напряжения в режиме молчания возрастает в 2 раза, а мощность в 4 раза, поэтому каскады передатчика, работающего в режиме AM должны рассчитываться на мощность в 4 раза большую, чем мощность колебаний несущей частоты.

Таким образом, недостатками амплитудной модуляции являются:

1) При амплитудной модуляции при глубине модуляции 100% мощность одной боковой полосы частот составляет лишь ¼ мощности несущего колебания;

2) Передатчик должен обеспечивать мощность в 4 раза превосходящую мощность при работе в режиме молчания;

3) При амплитудной модуляции радиосигнал занимает широкий спектр частот, равный удвоенной максимальной частоте модулирующего сигнала;

4) Радиосигналы с амплитудной модуляцией сильно подвержены влиянию атмосферных и промышленных помех, оказывающих воздействие на амплитуду передаваемого по радиоканалу сигнала.

Частотная модуляция - этот такой вид управления высокочастотными колебаниями, при котором по закону модулирующего сигнала осуществляется изменение частоты колебаний, я амплитуда остаётся постоянной.

При ЧМ частота модулированного сигнала изменяется в соответствии с
законом изменения первичного электрического сигнала: w = w₀ + DwSinWt,

где: w₀ - частота немодулированного колебания;

W - частота модулирующего (первичного электрического) сигнала;

Dw - максимальное отклонение частоты в процессе модуляции от своего среднего значения w₀, называемое девиацией частоты.

При этом девиация частоты пропорциональна силе звукового сигнала (амплитуде модулирующего напряжения): Dw = k×UW, где k - коэффициент пропорциональности.

График изменения ЧМ - колебаний во времени показан на рисунке 6.

Рис.6 График изменения ЧМ колебаний во времени.

Частотная модуляция неразрывно связана с фазовой модуляцией, так как с изменением частоты связано и изменение фазы модулированного колебания.

При этом фаза колебаний также изменяется по закону передаваемого звукового сигнала:

j = wt + DjSinW + j₀

где Dj - максимальное отклонение фазы колебаний от значения wt + j₀, называемое индексом модуляции и обозначаемое буквой в (иногда mчм). При этом индекс модуляции также прямо пропорционален силе звукового сигнала:

Dj = k×UW

Девиация частоты D w и индекс частотной модуляции D j связаны между собой по формуле

Dw = W×Dj

или

b = Dj = Dw/W = Df/F.

Если модуляция осуществляется спектром частот Fmin...Fmax, то индекс модуляции определяется по формуле b = Df/Fmax,

Теоретическое исследование ЧМ колебаний показывает, что они могут быть представлены в виде бесконечной суммы гармонических (синусоидальных) колебаний, частоты которых отличаются на величину частоты модулирующего сигнала:

U = U₀sinw₀t + U₁[sin(w₀ + W)t – sin(w₀ – W)t] + U₂[sin(w₀ + 2W)t + sin(w₀ – 2W)t] + … +

+ U_n[sin(w₀ + nW)t + (–1)ⁿsin(w₀ – nW)t] + …

Иными словами, в случае ЧМ возникает бесконечный спектр боковых частот:

Рис.7 Спектры ЧМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале и разных значениях индекса модуляции

Казалось бы, что передача и приём таких колебаний невозможны. Однако, как показывает анализ, амплитуды боковых частот довольно быстро убывают с увеличением их номера, причем тем быстрее, чем меньше индекс модуляции. При индексе модуляции b£1 колебания всех боковых частот с номером выше 1 оказываются столь слабыми, что можно считать их отсутствующими. В этом случае практически в спектр входят несущая частота и 2 боковых частоты, т.е. то же, что и при амплитудной модуляции, такую частотную модуляцию называют узкополосной.

Однако помехи оказывают меньшее влияние на приём сигналов, у которых индекс модуляции b>>1. У них номер последней боковой частоты, которую требуется использовать: n = b = Dj = W/Dw.

В этом случае ширина спектра: 2Dw_max = 2nW = 2Dw.

Т.е. при широкополосной частотной модуляции, когда b>>1, ширина используемого спектра колебаний равна удвоенной девиации частоты.

Поскольку при этом виде модуляции девиация частоты обычно превышает частоту модулирующего сигнала, то ширина спектра получается большой (обычно 15 - 18 кГц). Это обстоятельство предопределило использование частотной манипуляции только в УКВ- диапазоне, характеризующимся большой частотной емкостью и позволяющем использовать соседние частоты с большим разносом частот.

Таким образом, к достоинствам ЧМ сигнала можно отнести:

1) Амплитуда такого сигнала остаётся неизменной во времени. Это позволяет обеспечить эффективное усиление сигнала в передатчике и подвергнуть его амплитудному ограничению в приёмнике, что позволяют устранить мешающее воздействие атмосферных и промышленных помех;

2) В отличии от АМ, при ЧМ передатчик постоянно используется на полную мощность.

Недостатком ЧМ сигнала является то, что он занимает более широкую полосу частот, чем при AM, что уменьшает количество возможных каналов связи на определённом участке диапазона частот.

ЧМ сигналы нашли широкое применение в УКВ - диапазоне для обеспечения телефонной радиосвязи.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Напомнить тему, учебные цели и степень их достижения. Объявить оценки за ответы студентов на вопросы. Дать задания на самостоятельную работу, высветить соответствующий слайд рекомендованной литературы для самостоятельной работы. При этом целесообразно дать предельно краткую аннотацию.

Ответить на вопросы студентов, для чего оставить 2 – 3 мин. При ответах на вопросы лучше не повторять дословно положений, о которых уже говорилось в ходе лекции, а дать им дополнительные доказательства и обоснования или в зависимости от характера вопроса сообщить новый материал.

Подать команду об окончании занятия.

Задание на самостоятельную работу:

1. Выучить материал изложенный сегодняшнейлекции.

2. Быть готовыми к следующему занятию краткому опросу по пройденному

материалу

Старший преподаватель военной кафедры войск связи, тактики и общевоенных дисциплин

подполковник запаса Саламахин И. И.

Дата добавления: 2015-07-14