Тема 2 Основы радиопередачи и радиоприема Занятие

Тема 2. Основы радиопередачи и радиоприема. Занятие № 2 – Виды модуляции в радиопередатчике. Учебные вопросы: 1. Управление колебаниями в радиопередатчике. 2. Общие сведения о модуляции и манипуляции. 3. Двухканальное частотное телеграфирование.

Военная Кафедра Связи 1. Управление колебаниями в радиопередатчике. 1. 1. Характеристики сигналов связи. Радиосвязь - это способ передачи информации на расстояние с помощью электрических сигналов, которые излучаются в окружающее пространство в виде электромагнитных волн (радиоволн). Форма представления передаваемой информации называется сообщением. Для передачи по радио или по проводным линиям сообщение преобразовывается передатчиком в сигнал. Сигналом называется физическая величина, отражающая передаваемое сообщение и являющаяся его переносчиком. Сигнал не является передаваемым сообщением, а лишь отображает его. В радиосвязи используются электрические сигналы в виде изменяющегося во времени тока, который, проходя по системе проводников, излучается в окружающее пространство в виде электромагнитных волн (радиоволн). Электрические сигналы, отображающие передаваемое сообщение (несущие информацию) и способные эффективно излучаться в окружающее пространство, принято называть радиосигналами. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Сообщения и соответствующие им сигналы по своей структуре могут быть непрерывными (аналоговыми) или дискретными. Аналоговые сигналы определяются бесконечным множеством значений на конечном интервале времени. Типичным примером аналогового сигнала может служить телефонный сигнал, отображающий речь, музыку и т. д. (рис. 1). Телефонные сигналы являются результатом преобразования речевых сообщений. Они представляют собой непрерывно изменяющийся по величине ток (напряжение), однозначно отображающий звуковые колебания. Аналоговые телефонные сигналы относятся к непрерывным непериодическим сигналам. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Виды сигналов Рис. 1. Аналоговый (телефонный) сигнал Занятие № 1 Рис. 2. Дискретный (телеграфный) сигнал - 24 -

Военная Кафедра Связи Дискретными называются сигналы, характеризующиеся конечным числом значений на интервале времени их существования. Примером дискретного сигнала могут служить сигналы телеграфной связи (рис. 2). Телеграфное сообщение представляет собой буквенно-цифровой текст, отдельные знаки которого кодируются и преобразуются передатчиком в первичные электрические сигналы. Каждому знаку (букве, цифре) соответствует определенное сочетание электрических импульсов постоянного тока, называемое кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбинаций, построенных по некоторому правилу, называется кодом. Импульс наименьшей длительности , положенный в основу кода, называется элементарным импульсом или элементарной посылкой. Элементарные посылки могут быть токовыми и бестоковыми (однополюсное телеграфирование) или положительными и отрицательными (двухполюсное телеграфирование). В обоих случаях амплитуды элементарных посылок имеют только два фиксированных значения (см. рис. 2). Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Функции, описывающие сигналы связи, могут быть периодическими и непериодическими функциями времени, а сигналы и колебания бывают гармоническими и негармоническими. Гармоническими являются бесконечные синусоидальные колебания. Реальные же сигналы конечны во времени и гармоническими не являются. Любое негармоническое колебание обладает спектром сигнала. Рис. 3. Негармоническое колебание и его спектр Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Спектр сигнала представляет собой совокупность амплитуд гармонических колебаний, сумма которых является негармоническим колебанием. Речь человека содержит звуковые колебания в диапазоне от 80 до 10000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Основная часть средней мощности сигнала, обеспечивающая громкость речи, сосредоточена в диапазоне от 300 до 600 Гц; остальные частотные составляющие спектра обеспечивают окраску звука. Исходя из приведенных цифровых данных, в технике военной связи для получения достаточной громкости и разборчивости речи сигнал ограничивают полосой 300. . . 3400 Гц. Эта полоса является стандартной для военной радиосвязи и имеет специальное название ЭППЧ - эффективно передаваемая полоса частот. Рис. 4. Усредненный спектр речевого сигнала Занятие № 2 - 24 -

Военная Кафедра Связи Непрерывные колебания с постоянной амплитудой, частотой и начальной фазой не могут содержать какую-либо информацию. Для передачи информации необходимо как-то изменять параметр электромагнитных колебаний, излучаемых антенной радиопередающих устройств. Управление одним из параметров колебаний высокой частоты по закону передаваемых информационных сигналов называется модуляцией и осуществляется модулятором. В передатчике может быть амплитудная модуляция (АМ) и частотная модуляция (ЧМ). В результате модуляции получаются модулированные высокочастотные колебания тока, напряжения и электромагнитного поля. При отсутствии модуляции в антенне передатчика создаются и излучаются в пространство немодулированные колебания. Занятие № 2 -3 -

Военная Кафедра Связи 1. 2. Преобразование сообщения в радиосигнал. В общем случае процесс преобразования сообщения в радиосигнал осуществляется в два этапа: – преобразование физической природы сообщения – модуляция. Преобразование физической природы сообщения заключается в преобразовании его из неэлектрической формы представления в электрический сигнал. Полученный при этом сигнал, как правило, является низкочастотным и называется первичным электрическим сигналом (ПЭС). Преобразование сообщения в ПЭС осуществляется до передатчика с помощью оконечных устройств (аппаратов). В зависимости от вида передаваемой информации оконечными устройствами могут быть: микрофон, телеграфный ключ или БП аппарат, передающая телевизионная камера и т. д. В качестве примера преобразования физической природы сообщения можно привести преобразование звуковых колебаний, порождаемых голосовыми связками человека, в изменяющийся электрический ток, протекающий через микрофон. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Характерной особенностью первичных электрических сигналов является их низкочастотный характер. Спектры большинства ПЭС ограничены максимальной частотой, не превышающей единиц килогерц. Такие низкочастотные сигналы не могут эффективно излучаться в виде электромагнитных волн. Это объясняется тем, что для эффективного излучения в пространство геометрические размеры излучателей (передающих антенн) должны быть соизмеримы с длиной волны сигнала. Очевидно, что для низкочастотных сигналов потребовалось бы создать антенны с геометрическими размерами в десятки и даже сотни километров. Для повышения эффективности излучения малогабаритных антенных устройств необходимо уменьшать длину волны (увеличивать частоту) сигналов. По этой причине для осуществления радиосвязи ПЭС преобразуются в высокочастотные сигналы (радиосигналы), которые эффективно излучаются в окружающее пространство антенными устройствами, имеющими относительно небольшие геометрические размеры. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Но эти непрерывные колебания с постоянной амплитудой, частотой и фазой не содержат никакого сообщения, кроме указания на то, что работает передатчик. Для передачи сообщения необходимо изменять параметр электромагнитных колебаний в соответствии с передаваемым сообщением. Другими словами, «закладывать» сообщение в высокочастотное колебание можно путем изменения одного из его параметров по закону изменения сообщения. Модуляцией (манипуляцией) называется процесс взаимодействия двух колебаний (НЧ и ВЧ), при котором один или несколько параметров высокочастотного колебания (амплитуда, частота, фаза) изменяется по закону первичного низкочастотного колебания. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Схема преобразований сообщений и сигналов (принцип радиосвязи) Источник сообщения Получатель сообщения Занятие № 1 Преобразователь сообщения в первичный электрический сигнал (кодер) Преобразователь первичного электрического сигнала в сообщение (декодер) Источник ВЧ гармонических колебаний Демодулятор (детектор) Модулятор (манипулятор) Среда распространения радиоволн -4 -

Военная Кафедра Связи Сущность модуляции (манипуляции) заключается в воздействии первичного низкочастотного сигнала на один или несколько параметров (амплитуду, частоту, фазу) вспомогательного высокочастотного колебания таким образом, чтобы в изменениях этих параметров оказалась заложенной низкочастотная информация. Сформированный в процессе модуляции (манипуляции) радиосигнал излучается в виде электромагнитных волн. Таким образом, любое радиопередающее устройство обеспечивает выполнение следующих трех основных функций. 1. Преобразование сообщения в первичный электрический сигнал, которое осуществляется оконечной передающей аппаратурой. 2. Преобразование первичного сигнала путем модуляции (манипуляции) в высокочастотный радиосигнал. Эту функцию выполняет собственно радиопередатчик. 3. Излучение сформированных радиосигналов в окружающее пространство в виде электромагнитных волн, осуществляемое передающим антенно-фидерным устройством (АФУ). Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Вывод: 1. Передача первичных сигналов связи в исходном виде осуществляется только по проводным линиям небольшой протяженности. При организации дальней проводной и радиосвязи необходимо пользоваться специальным переносчиком вспомогательным высокочастотным (обычно гармоническим) колебанием, с помощью которого первичные сигналы преобразуются в радиосигналы. Процесс преобразования непрерывных первичных сигналов в радиосигналы называют модуляцией, а дискретных первичных сигналов – манипуляцией. 2. В зависимости от того, какой из параметров изменяется под воздействием модулирующего сигнала, различают три основных вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ). В технике военной радиосвязи для передачи непрерывных сообщений широко используются амплитудная, однополосная и частотная модуляции. Для передачи дискретных сообщений находят применение амплитудная и частотная манипуляции. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Амплитудная модуляция. При амплитудной модуляции амплитуда тока в антенне радиопередающего устройства изменяется в соответствии с сигналом, содержащим полезную информацию. (На рис. 5. представлены формы модулирующего, модулируемого и амплитудно-модулированных сигналов. ) Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Степень воздействия модулирующего колебания на колебание несущей частоты оценивается коэффициентом (глубиной) амплитудной модуляции. АМ колебание представляет собой сумму трех высокочастотных колебаний: Первое – промодулированное колебание несущей частоты с амплитудой, равной амплитуде колебания в режиме молчания. Второе и третье колебания – имеют амплитуды, пропорциональные коэффициенту модуляции. Эти частоты называются соответственно верхней и нижней боковыми частотами. Рис. 5. Спектр АМ сигнала Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Модулирующий сигнал обычно содержит не одно, а ряд гармонических колебаний различных частот, и каждое из этих колебаний создает соответственно верхнюю и нижнюю боковые частоты. При этом в спектре амплитудно-модулированного сигнала создаются верхняя и нижняя боковые полосы. Рис. 6. Структура спектра телефонного АМ сигнала Занятие № 2 -7 -

Военная Кафедра Связи Недостатками амплитудной модуляции являются: 1. Широкая занимаемая полоса частот: она вдвое превышает ширину спектра передаваемого сигнала. Уменьшение полосы частот позволило бы увеличить количество каналов (рабочих частот) в пределах данного диапазона. 2. Нерациональное использование мощности передатчика. (мощность, затрачиваемая на излучение колебаний несущей частоты, значительно превышает полезную мощность, затрачиваемую на излучение колебаний боковых частот. Реально на передачу полезной информации расходуется около 10 % мощности передатчика). Занятие № 2 - 24 -

Военная Кафедра Связи Однополосная модуляция. Вид модуляции, при которой в спектре АМ сигнала сохраняется лишь одна боковая полоса, называется однополосной модуляцией (ОМ), а само колебание называется однополосно-модулированным сигналом. В настоящее время при работе в телефонном режиме на частотах до 20. . . 30 МГц однополосная модуляция является основным видом управления колебаниями в радиопередатчиках. Преимущества однополосной модуляции: Во-первых, ширина спектра сигнала при ОМ сокращается вдвое по сравнению со спектром сигнала при АМ, что позволяет в два раза увеличить число рабочих частот в одном и том же диапазоне и уменьшить вдвое мощность шума на выходе радиоприемника, что в свою очередь приводит к улучшению помехозащищенности канала связи. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Во-вторых, при однополосной модуляции повышается эффективность использования мощности передатчика, так как отпадает необходимость затраты электроэнергии на генерирование мощных колебаний несущей частоты. При заданной мощности передатчика это эквивалентно увеличению дальности связи. Переход от АМ к ОМ обеспечивает общий энергетический выигрыш примерно в 8 раз. Еще одним достоинством однополосной модуляции является более высокий промышленный КПД, поскольку в паузах передачи информации несущая не генерируется и, следовательно, снижается потребление энергии от источников питания. Чем мощнее передатчик, тем больше выигрыш в потреблении энергии. Так, например, расход электроэнергии при АМ составляет 3, 5. . . 4, 5 к. Вт на 1 к. Вт полезной мощности, а при ОМ – всего от 1, 1 до 2 к. Вт. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи К недостаткам однополосной передачи следует отнести: Сложность обеспечения точного равенства несущей частоты передатчика и частоты гетеродина, воссоздающего колебания несущей частоты в месте приема. Схема радиопередатчика, работающего по принципу однополосной передачи, значительно сложнее. Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи А 3 А-А 1 КТЧ А 3 – однополосный сигнал; А – несущая 10%; А 1 – верхняя боковая полоса. РЧ f РЧ 0 f А 3 А-В 1 А 3 КТЧ – однополосный сигнал; А – несущая 10%; В 1 0 –нижняя боковая полоса. А 1 В 1 0 fраб. – 3, 4 к. Гц Занятие № 1 fраб. – 0, 3 к. Гц fраб. + 3, 4 к. Гц f к. Гц - 24 -

Военная Кафедра Связи Частотная модуляция. При частотной модуляции амплитуда высокочастотных колебаний остается постоянной, а в соответствии с передаваемым сигналом изменяется частота. Занятие № 2 - 10 -

Военная Кафедра Связи Ширина спектра частот, занимаемая частотно-модулированным сигналом, получается в 5 -10 раз шире, чем при амплитудной модуляции. Следовательно, число частотно-модулирующих передатчиков, которое можно разместить в том или ином диапазоне волн в 5 -10 раз меньше, чем при амплитудной модуляции. Это является главным недостатком частотной модуляции, ограничивающим область применения короткими и ультракороткими волнами. К преимущества частотной модуляции по сравнению с амплитудной следует отнести большую помехоустойчивость. Большая помехоустойчивость позволяет улучшить качество воспроизведения сигнала и повысить реальную чувствительность приемника. В режиме частотно-модулированных колебаний передатчик работает при постоянных амплитудах, что позволяет повысить КПД и лучше использовать усилитель мощности. Постоянство амплитуды частотно-модулированного сигнала позволяет уменьшить искажения сигнала при его усилении. Занятие № 2 - 13 -

Военная Кафедра Связи 2. 1. Общие сведения об амплитудной и частотной манипуляции. Радиотелеграфной модуляцией или манипуляцией называется передача сообщении по радио с помощью условного кода. Различают два основных вида телеграфных кодов: Азбуку Морзе и радиовещательный код. В азбуке Морзе применяют неравномерный код, в котором буквы состоят из сигналов различной продолжительности (точки и тире). Азбука Морзе применяется при слуховой радиотелеграфной связи, при которой управление передатчиком осуществляется с помощью ручного ключа, а прием радиотелеграфных сигналов – на слух. Занятие № 2 - 14 -

Военная Кафедра Связи Амплитудная манипуляция Манипулированные колебания являются частным случаем амплитудномодулированных колебаний. Огибающая манипулированного колебания может быть представлена в виде бесконечного числа гармонических составляющих, каждая из которых является для манипулированного колебания модулирующим сигналом и создает в спектре радиотелеграфного сигнала две боковые частоты. Поэтому спектр радиотелеграфного сигнала содержит бесконечное число боковых частот. Однако радиотелеграфный сигнал удовлетворительно воспроизводится, даже если в его спектре пренебречь боковыми частотами, номер которых выше трех. Поэтому необходимая для воспроизведения телеграфного сигнала полоса частот не превышает 100 Гц, что в десятки раз меньше полосы частот, занимаемой обычным (телефонным) амплитудномодулированным колебанием. Сужение полосы способствует повышению помехоустойчивости радиосвязи. Существенным преимуществом телеграфного режима также является работа передатчика незатухающими колебаниями постоянной амплитуды, что позволяет улучшить использование выходных каскадов передатчика по мощности, то есть повысить дальность действия радиостанции по сравнению с телефонным режимом. Занятие № 2 - 16 -

Военная Кафедра Связи Частотный спектр радио телеграфного амплитудномодулированного сигнала Занятие № 2 - 17 -

Военная Кафедра Связи U t При нажатии ключа происходит излучение рабочей частоты, при отжатии ключа - излучения нет. U t 0 fраб Телеграфный сигнал АТ (амплитудное телеграфирование) Занятие № 1 - 24 -

Военная Кафедра Связи Частотная манипуляция Основным недостатком ручного телеграфирования является низкая скорость передачи сигнала и приема на слух. Поэтому в настоящее время телеграфная связь в основном осуществляется с помощью быстродействующей буквопечатающей аппаратуры, позволяющей увеличить скорость телеграфирования до 400 и более слов в минуту. При использовании буквопечатающих аппаратов в качестве кода применяются равнозначный код, в котором каждая буква кода состоит из пяти или шести элементарных знаков. При этом полоса частот расширяется до нескольких килогерц и помехоустойчивость радиосвязи несколько снижается. Поэтому в буквопечатающей радиотелеграфии часто применяется частотная манипуляция, при которой передаваемая информация кодируется числами в системе двоичного исчисления. Радиопередача в двоичном коде соответствует излучению импульсов, соответствующих единице, нулю соответствует отсутствие сигнала. Простота такого кода повышает помехоустойчивость и надежность радиосвязи. При частотной манипуляции излучение на одной частоте соответствует нулю, а на другой – единице. Занятие № 2 - 18 -

U Телеграфный сигнал ЧТ (частотное телеграфирование) t При нажатии ключа происходит излучение одной частоты, а при отжатии - другой. U t ЧТ – частотное телеграфирование; 500 – расстояние между частотой отжатия и 500 нажатия. 0 f. РАБ.

Военная Кафедра Связи Двухканальное частотное телеграфирование Используя методы частотного телеграфирования, можно осуществить передачу по радиоканалу двух различных телеграфных сообщений. Такой метод передачи называется двойным частотным телеграфированием (ДЧТ). При ДЧТ число часто передатчика равно четырем: Занятие № 2 - 20 -

Военная Кафедра Связи f 1 - бестоковая посылка в обоих каналах; f 2 - токовая посылка в первом канале и бестоковая во втором; f 3 - токовая посылка во втором канале и бестоковая в первом; f 4 - токовая посылка в обоих каналах. Разность частот f 4 – f 3 = f 3 – f 2 = f 2 – f 1 = 2Δf называется частотным сдвигом или разносом частот. Занятие № 2 - 21 -

Военная Кафедра Связи Высокочастотные колебания при таких изменениях частоты можно рассматривать как колебания с частотной модуляцией, у которых модулирующий сигнал имеет форму прямоугольных импульсов, а максимальная девиация частоты равна при ЧТ - , а при ДЧТ -. Большим девиациям частоты соответствует лучшая помехозащищенность, но и более широкая полоса частот, занимаемая сигналом. При ДЧТ ширина полос частот, занимаемая сигналом при заданной скорости телеграфирования, получится минимальной в том случае если отрезки времени, отводимые для работы передатчика на любой из четырех частот, будут равны другу. Для получения такого результата телеграфные аппараты первого и второго канала должны работать синхронно, так чтобы начало и конец каждой Элементарной посылки совпадали в обоих аппаратах. Занятие № 2 - 22 -

Военная Кафедра Связи При сравнительной оценке различных методов модуляции необходимо учитывать следующие основные показатели: • Влияние помех на передаваемый сигнал при данном виде модуляции. Помехоустойчивость в значительной степени определяет как надежность, так и дальность радиосвязи; • Ширину спектра частот, занимаемую сигналом данного вида модуляции. Полоса частот, необходимая для передачи одного и того же сигнала при различных способах модуляции, различна. При прочих равных условиях предпочтительны более узкополосные виды модуляции; • КПД и степень использования по мощности модулируемого генератора. От этих показателей зависит дальность радиосвязи. Поэтому при заданной номинальной мощности генераторных ламп различные методы модуляции обеспечивают различную дальность радиосвязи Занятие № 2 -4 -