книги / Основы радиоэлектроники

При произвольных значениях спектр ЧМ радиосигнала со­ держит бесконечное количество

составляющих с частотами;

сок = сон + п = 0; +1; +2; +3...

Однако не все составляющие имеют одинаковые амплитуды. Полоса частот, в которой рас­ положены спектральные состав­ ляющие ЧМ радиосигнала с большими амплитудами, огра­ ничена и достаточно строго определяется формулой:

	Дсочм= 2птакП * 2тш£1 =
	= 2 ( = ^ ) Q = 2A(o = 2A:t/n ,
	где «тах= шй,		округленному до
	целого числа. Анализ этой фор­
	мулы	показывает,		что полоса
	частот равна удвоенной девита-
	ции частоты.		С уменьшением
	частоты модуляции			Q индекс
	частотной модуляции /ив = Асо/О,
	возрастает, расстояние по часто­				Рис. 1.17а — з
	те между составляющими спект­
	ра уменьшается, а число этих со­
	ставляющих увеличивается в не­				Ut
	изменной полосе частот ЧМ ра­				U0
	диосигнала. Эта полоса частот				ти/о
	определяется амплитудой управ­
					Т 2
	ляющего сигнала t/n и не зави­				CJ0-S2
					muUn^
	сит от частоты модулирующего
	сигнала £2 в отличие от ампли­
	тудной	модуляции,		где полоса	Рис. 1.18
	частот	AM радиосигнала опре­

деляется частотой управляющего сигнала (Асоам = 2£2) и не зави­ сит от амплитуды этого сигнала. Еще более усложняется спектр при частотной модуляции не одной гармоникой управляющего сигнала uc(t)= t/n cos£2/, а управляющим сигналом со сложным спектром (см. формулу (1.1)). В этом случае полоса частот ЧМ радиосигнала определяется формулой:

Асочм 2/imaxQmax 2 т ю£2тах.

При передаче звука в телевидении и ЧМ радиовещании использу­

ется	10. При /та* = —^ = 4 ,5 кГц получаем, что полоса частот
ЧМ	радиосигнала равна А /чм = ^ ^ « 2 т (1)утах= 90 кГц, что
	2п

в 10 раз больше полосы частот, занимаемой AM радиосигналом. Достоинством ЧМ радиосигналов является возможность уменьшить влияние помех на работу радиоприемника или теле­ визора. Помехи приводят к паразитной амплитудной модуляции ЧМ радиосигнала и эту паразитную модуляцию можно «убрать», пропустив принятый искаженный сигнал через ограничитель (рис. 1.19). Используя спектральные представления, можно ска­ зать, что при наличии большого числа спектральных составля­ ющих ЧМ радиосигнала спектр помехи слабее сказывается на

характеристиках общего спектра радиосигнала и помехи. Недостатком частотной модуляции является необходимость

широкой полосы частот для ее реализации, что ограничивает число станций с ЧМ, работающих в заданном диапазоне частот.

Остановимся кратко на фазовой модуляции. При этом виде модуляции амплитуда £/м колебания остается неизменной, а функцией времени является начальная фаза ф„ в выражении текущей фазы

<p(f) = coHf+<p0(f)>

которая определяется управляющим сигналом

(Ро(/)=А:2пс(/)+фо.

В простейшем случае мс(/)= Ua cosQt

Фо (/) = to„t -I-mvcos fi t + фo,

где m4>= k2 Ua — индекс фазовой модуляции, зависящий только

от амплитуды Ua. В общем случае т ф»	1 спектр ФМ радиосиг­
нала ифм(/)= Uucos(сонН-/мфcosП/+фо)	содержит бесконечное

количество составляющих с частотами со = со„±лП, где л = 0; + 1; + 2 и т. д. При использовании ФМ-радиосигналов также уда-

32

с максимальной частотой f max спектра сигнала S (t) A t ^

ется ослабить действие помех с помощью ограничителя в прием­ нике. В этом достоинство ФМ. Недостатком ее, как и ЧМ, является большая полоса частот, занимаемая ФМ радиосигна­ лом, из-за чего в заданном диапазоне частот можно использовать весьма ограниченное количество радиостанций.

Фазовая модуляция широко применяется в системах телеуп­ равления.

При фазовой модуляции, как и при частотной, меняется теку­ щая фаза (р (/) колебаний при неизменной амплитуде UM. Поэто­ му иногда эти виды модуляции рассматривают как частные случаи частотно-фазовой (ЧФМ) или фазо-частотной (ФЧМ) мо­ дуляции или угловой модуляции.

§ 1.4. Импульсная модуляция сигналов. Цифровая обработка сигналов

Кроме амплитудной, частотной и фазовой модуляции в со­ временных радиосистемах используется импульсная модуляция (ИМ) сигналов.

Как отмечалось в § 1.1, основным типом управляющего сиг­ нала, содержащего первичную информацию, является непрерыв­ ный сигнал 5(0, называемый также аналоговым или континуаль­ ным (рис. 1.20а). Примером непрерывного сигнала является сиг­ нал на выходе микрофона при воздействии акустических колебаний.

Вместо непрерывного сигнала часто удобно передавать дис­ кретные сигналы 5Д(0, представляющие набор коротких импуль­ сов, разделенных интервалами At (рис. 1.206). Параметр дискре­ тизации At— промежуток, через который передаются точные для данного момента времени t значения аналогового сигнала S (/). выбирается согласно теореме В. А. Котельникова в соответствии

l

2/пй Кроме дискретных (по времени) сигналов, применяются

и дискретные по уровню (квантованные по уровню) сигналы SK(t). Выбор параметра квантования Д 5=|5Г—5Г_ Х| (т. е. разнос­ ти интенсивностей сигнала на соседних уровнях) производится из соображений превышения AS над уровнем помех S„(AS^>S„). Наконец, используются сигналы, дискретные по времени и кван­ тованные по уровню; этот класс сигналов относится к классу цифровых сигналов 5Ц(/) (рис. 1.20г).

Дискретные управляющие сигналы позволяют получить им­ пульсные радиосигналы. Наиболее часто в радиоэлектронике применяют управляющие импульсы прямоугольной формы (рис. 1.17ж). При этом информация, заложенная в управляющем сигнале S(t) (рис. 1.21а), вкладывается в один или несколько

параметров импульса или последовательностей импульсов: в изменение амплитуды импульса А (/) = /40 + &iS'(/)— амплитудно­ импульсная модуляция (АИМ) (рис. 1.216), длительности им­ пульса т(0 = то+А:25(/)— модуляция ширины импульса (ШИМ)

(рис. 1.21в), периода следования (повторения)	импульса
A t(t) - A t0 + k3S (t)— частотно-импульсная (ЧИМ)	либо фазо­

импульсная (ФИМ) модуляция (рис. 1.21г) (здесь kt (/= 1, 2, 3) — постоянные величины). Этими импульсами и осуществляется мо­ дуляция колебаний несущей частоты. Дискретизация по времени и квантование по уровню последовательности импульсов дают

важный тип модуляции — кодово-импульсную	модуляцию
(КИМ) (рис. 1.22). При КИМ за
интервал At передается не один
импульс (как при АИМ, ШИМ
и др.), а несколько — кодовая по­
следовательность,	выбранная
в соответствии с	определенным
правилом— кодом.

a(tl. ШИМ

O.(0l	ЧИМ(«сим) 1

Рис. 1.21а

Рис. 1.23а— е

Кодирование определяет закон построения дискретного управ­ ляющего сигнала, а модуляция— вид формируемого радиосиг­ нала, который должен передаваться по каналу связи. При кодиро­ вании происходит процесс преобразования элементов управля­ ющего сигнала в соответствующие им наборы импульсов (кодовые сигналы), каждому элементу управляющего сигнала при­ сваивается определенная совокупность кодовых сигналов, называ­ емая кодовой комбинацией или кодовой последовательностью. Совокупность кодовых комбинаций, обозначающих дискретные управляющие сигналы, называется кодом. Преобразование после­ довательности кодовых символов в последовательность элементов радиосигнала осуществляется в процессе модуляции, при этом один из параметров несущего колебания изменяется во времени в соответствии с передаваемым (закодированным) сообщением.

На рис. 1.23 показан переход от непрерывного аналогового сигнала (рис. 1.23а) к дискретному, квантованному по уровню сигналу (рис. 1.236). Легко видеть ошибку, вводимую квантова­ нием. Вместо истинного значения 7.2 в момент первого отсчета имеем значение 7 в результате квантования. Аналогичная ошиб­ ка вносится и в другие моменты отсчета. Далее квантованное значение сигнала представляется в виде набора импульсов, харак­ теризующих нули и единицы при представлении этого значения в двоичной системе исчисления (рис. 1.23в). Этот набор импуль­ сов используется для амплитудной модуляции несущего колеба­ ния и получения кодово-импульсного радиосигнала. После при­ ема такого сигнала на выходе приемника появляется набор им-

W	j	'g tp ftJ	J
V			w
т	ИU L . Д		? 1У	A.
1 ft t	t	r		t
1

Рис. 1.24

пульсов (рис. 1.23г), по которому можно восстановить дискрет­ ный квантованный сигнал (рис. 1,23д), а затем получить непрерыв­ ный сигнал (рис. 1.23е), несколько отличающийся от исходного аналогового сигнала из-за квантования по уровню. Общая схема цифровой обработки информации (рис. 1.24) содержит электрон­ ный ключ ЭК, превращающий аналоговый, непрерывный сигнал S (/) в дискретный сигнал Sa(t), интегрирующую цепь ИЦ, запоми­ нающую каждое данное значение сигнала на время t3, достаточное для срабатывания аналого-цифрового преобразователя АЦП, преобразующего сигнал в цифровую форму Su(t). В АЦП проис­ ходит квантование дискретного ступенчатого сигнала по уровню, а затем каждому уровню ставится в соответствие двоичное число. После модуляции последовательностью импульсов несущего ко­ лебания, излучения модулированных электромагнитных волн и их приема на выходе приемника получается цифровой сигнал 5ц1 ((). Он поступает в цифровой фильтр ЦФ — вычислительную машину, которая реализует алгоритм обработки сигнала. На выходе ЦФ возникают кодовые последовательности импульсов, соответст­ вующие обработанному (профильтрованному) сигналу. После прохождения цифроаналогового преобразователя (ЦАП) сигнал 5дф(/) приобретает ступенчатую форму: амплитуда каждой сту­ пеньки соответствует (пропорциональна) соответствующим зна­ чениям цифрового сигнала. Затем сигнал 5дф(0 сглаживается фильтром СФ и получается аналоговый сигнал S (/).

Амплитудная, частотная и фазовая модуляция несущих коле­ баний позволяет строить многоканальные радиоэлектронные

системы с частотным разделением (уплотнением) каналов (ЧРК), обусловленным использованием несущих колебаний с различны­ ми частотами. Достоинством системы с ЧРК является простота и возможность передачи весьма широкополосных сообщений, например, телевизионных.

Импульсная модуляция дает возможность строить радиоэлект­ ронные системы с временным разделением каналов (ВРК), обла­ дающие заметными преимуществами перед системами с ЧРК. К этим достоинствам относится высокая точность передачи сигна­ лов (лучшая помехозащищенность) и возможность передавать совместно сообщения нескольких каналов в одном частотном диапазоне, поскольку сообщению каждого канала будет соответст­ вовать своя последовательность импульсов, не перекрывающаяся с последовательностью импульсов сообщения другого канала.

Использование дискретных сигналов привело к цифровой об­ работке сигналов в устройствах цифровой техники. При этом удалось получить высокую точность радиоустройств при относи­ тельно невысоких требованиях к качественным показателям от­ дельных элементов.

При цифровой обработке оказалось возможным реализовать сложные алгоритмы обработки сигналов, которые не под силу аналоговой технике. Прежде всего это касается важнейшего раз­ дела современной радиоэлектроники — создания самонастраива­ ющихся (адаптивных) радиосистем, изменяющих обработку сиг­ нала при изменении его параметров. Цифровые системы облада­ ют существенно более высокими точностями обработки сигнала по сравнению с аналоговыми. Следует отметить, что для качест­ венной звукозаписи на компакт-дисках применяется именно циф­ ровая обработка сигналов (см. § 10.6).

К недостаткам цифровых систем следует отнести их относи­ тельную сложность по сравнению с аналоговыми устройствами. Другим недостатком цифровых систем обработки информации является их меньшее быстродействие, чем аналоговых систем. Это связано с необходимостью выполнять большое количество цифровых операций при обработке цифровых сигналов.

Поэтому в ряде практических случаев, когда по условиям работы не требуется высокая точность, целесообразнее использо­ вать традиционные аналоговые системы и элементы, подробно рассматриваемые в следующих главах.

§ 1.5. Требования к полосе канала связи. Выбор несущих частот

Как было показано выше, при различных видах модуляции радиосигнал характеризуется шириной спектра: при AM Дсоам = 2йтах, а при ЧМ Aco4M= 2w(0Qmax. Для неискаженной

		передачи таких сигналов через
		канал связи		необходимо,			что­
		бы границы		спектра		радиоси­
		гнала	лежали внутри границ
		полосы	пропускания			канала
		связи сок1 и юк2 (рис. 1.25), т. е.
		полоса	пропускания			канала
	Чг7 ис?ин~&«„fЧ»*Чи«г	ы связи Дсок = сок2 —coKi была рав­
		на или	немного		превосходила
	Рис. 1.25
		ширину спектра соответствую­
	Дсок ^ Дсоам = 2Qmax, при ЧМ	щего радиосигнала:				при	AM
		Дсок ^ ДсОцм = 2тшПтах. Более					по-
	дробно согласование сигнала	с каналом связи			рассмотрено
	в приложении 1.

Полоса пропускания канала связи не должна существенно превосходить ширину спектра радиосигнала, чтобы передаче ин­ тересующей нас информации не мешали сигналы других радио­ станций и другие помехи.

При использовании AM модуляции несущая частота более чем в 10 раз должна превосходить максимальную частоту Отах управляющего сигнала. Это определяется: 1) необходимо­ стью легкого разделения несущей и модулирующих частот при детектировании AM радиосигналов в приемнике; 2) необходимо-

стью малости относительной полосы частот А а )с занимаемой

модулированным колебанием — 1« 1 , для излучения всех спект-

® н ес

ральных составляющих этого колебания простой антенной. Что­ бы разместить все большее количество радиовещательных и те­ левизионных станций в диапазонах с заданным отношением мак­ симальной / тах и минимальной / mi„ несущих частот, необходимо увеличивать несущие частоты. Приведем пример. Пусть отноше­ ние /max//min= Ю. При / min = 30 кГц в этом диапазоне можно раз­ местить при Асоам/2л = 9 кГц

п _ /ша. /min _	^ jQ радиостанций.
Д^ам/2^	А/треб

При / min = 3 МГц можно разместить уже 3000 радиостанций. Так как в данном диапазоне частот могут быть размещены несущие частоты только конечного числа станций, не мешающих друг другу, существуют международные соглашения и Всесоюзное законодательство, определяющее распределение несущих частот между разными видами систем связи и вещания, и для выхода в эфир новой радиостанции требуется разрешение службы радио­ частот и радиопомех.

§ 1.6. Диапазоны радиоволн и области их применения

Бурный рост числа и видов систем связи, радиолокационных и других систем, использующих для передачи информации элек­ тромагнитные волны, приводит к тому, что радиосистемы «ме­ шают» друг другу, т. е. приводит к «тесноте» в эфире. Возникает проблема электромагнитной совместимости радиосистем. Вывод из этого противоречия между необходимостью выделения каж­ дой системе связи определенной полосы частот и необходимо­ стью создания все новых систем требует освоения все новых диапазонов электромагнитных волн — радиоволн, используемых для передачи информации. Ниже в таблице приведены использу­ емые в настоящее время частоты, диапазоны радиоволн и об­ ласти их применения.

Название

частот

Очень низкие (ОНЧ)

Низкие (НЧ)

Средние

(СЧ)

Высокие

(ВЧ)

Очень высо­ кие (ОВЧ)

Мгьтравысокие (УВЧ)

Сверхвысо­ кие (СВЧ)

Название волн		Частоты	Длины волн	Примечание
Мириаметро-		3— 30 кГц	100— 10 км	Служебная			связь,
вые,	сверх­			связь	с	подводны­
длинные				ми лодками, радио­
(СДВ)				навигация, передача
				метеоданных
Километро­		30— 30 кГц	10— 1 км	Радиовещание в ди­
вые,	длинные			апазоне			1500—
(ДВ)				1600 м
Гектометро-		300 кГц—	1 км —	Радиовещание в ди­
вые,	средние	3 МГц	100 м	апазоне		600— 200 м
(СВ)
Декаметровые,		3 М Г ц -	100 м—	Радиовещание в ди­
короткие (КВ)		30 МГц	10 м	апазоне 75— 16 м
Метровые,		30 М Г ц -	10 м — 1 м	УКВ вещание, теле­
ультракорот­		300 МГц		видение,		радиоло­
кие (УКВ)				кация
Дециметровые		300 МГц—	1 м — 10 см	Радиорелейная
(ДМ В)		3 ГГц		связь,	телевидение,
				радиолокация
Сантиметро­		3 Г Г ц -	10 см—	СВЧтехника, радио­
вые (СМ В)		30 ГГц	1 см	локация,		космиче­
				ская	связь		с по­
				мощью		спутников,
				космические			иссле­
				дования		(радиоаст­
				рономия)

	Название	Название волн		Частоты	Длины волн	Примечание
	частот
	Крайне вы­	Миллиметро­		30 Г Г ц -	1 см—	Радиоспектроско­
	сокие (КВЧ)	вые (МВ)		300 ГГц	1 мм	пия
	Гипервысо-	Децимилли-		300 ГГц—	1 мм—	Космическая связь
	кие (ГВЧ)	метровые,		3 ТГц	0,1 мм
		субмиллимет­
		ровые
		Длинные	ин­	3 ТГц—	0,1 мм—	ИК-локация, связь
		фракрасные		30 ТГц	10 мкм
		волны
		Короткие	ин­	30 Г Г ц -	10 мкм—	ИК-локация,		физи­
		фракрасные		300 ГГц	1 мкм	ческие исследования
		волны
		Ближние	ин­	300 Г Г ц -	1 мкм—	Лазерная		связь,
		фракрасные		3000 ГГц	0,1 мкм	связь с	помощью
		волны,	опти­			волоконно-оптичес­
		ческие волны,				ких линий
		мягкий	уль­
		трафиолет
		Рентгеновское		<3000 ГГц	>0,1 мкм	Разеры-квантовые
		излучение				генераторы		рентге­
						новского	излучения

Как уже отмечалось, зная несущую частоту / н в МГц, длину волн в метрах можно найти по формуле X [м] = 300//„ [МГц].

§ 1.7. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

Особенности распространения радиоволн определяются свойствами среды: атмосферы и поверхности Земли, в первую очередь океанами и морями, а также сушей. В атмосфере под действием космических лучей, ультрафиолетового излучения и потоков частиц с Солнца происходит ионизация газов, и появ­ ляются заряженные частицы. С высотой ионизация постепенно возрастает, а число нейтральных частиц N падает (рис. 1.26). Возникают ионизированные слои. Основную роль играют слой Е на высоте 100н-120 км и слои Г, и F2 на высоте 250 н-400 км. Эти слои находятся в ионосфере, которая начинается с высоты 70 км. Ниже ее расположены стратосфера и тропосфера, послед-