Телекоммуникационные системы

31

На рис. 2.3, г симметричность модуляции нарушается и огибающая модулированного колебания уже не соответствует по форме передаваемому сигналу (рис. 2.3, а). Для исключения искажений (перемодуляции) необходимо

чтобы Учитываянес Ω , что. На практике выбирается

1.

cos

Ω

получим:

cos Ω

cos

нес

0,5 cos

нес Ω

нес

Ω .

Как

нес

cos

нес

0,5

нес

cos

нес

Ω

0,5

нес

cos

нес

видно, спектр АМ-колебания состоит из трёх составляющих:

колебания с несущей частотой

Ω

и амплитудой

, а также двух колебаний

с частотами

нес

Ω

и

нес

0,5

нес.

Частоты

нес

Ω

и

несс амплитудой

нес

нес Ω

называются боковыми. Спектр модулирующего колебания показан на

рис. 2.3, д; спектры АМ-колебаний при различных

– на рис. 2.3 е, з.

В случае передаваемого сигнала со сложным спектром (рис. 2.4, а) спектр АМ-колебания будет иметь вид, показанный на рис. 2.4, в. Видно, что ширина полосы частот АМ-колебания равна удвоенной максимальной частоте модуляции: нес нес 2 .

Ω

а

нес

б

нес

в

нес	нес	нес
	2

Рис. 2.4. Спектр АМ-колебания сложного сигнала

32

Полезная информация о передаваемом сигнале заключена только в боковых составляющих, поэтому с точки зрения эффектности приёма эта мощность бок является определяющей. Отношение

Рбок
Р	2 1
максимально при	1. Тогда

Рбок		. Следовательно, доля
Р

мощности боковых составляющих в общей мощности АМ-колебания незначительна и не превышает даже в предельном случае 12,5% от максимальной мощности, которую может развить передатчик.

Таким образом, недостатками АМ является низкая эффективность использования мощности установленных в передатчике электронных приборов; широкая полоса частот, вдвое превышающая ширину спектра модулирующего сигнала.

Амплитудная модуляция смещением

В модулируемом каскаде в соответствии с сигналом информации изменяют смещение на базе транзистора (рис. 2.5):

Есм Ес	Ω cosΩ .		C3
Ср	VT L3	C2	вых АМ

нес	L1	C1	L2
			Тр

UΩ	Cбл	Cбл	Еп
		+
	Есo	-

Рис. 2.5. Схема модулятора смещением

В этой схеме источник модулирующего напряжения Ω включают последовательно с источником постоянного напряжения Ес , задающего смещение в режиме молчания.

33

Коллекторная модуляция

Коллекторную модуляцию осуществляют изменением напряжения питания коллекторной цепи транзистора (рис. 2.6).

	Ω
	Тр1
VT1	VT2

п

Тр2

вых (АМ)

VT3

нес

Рис. 2.6. Схема коллекторной модуляции

Частотная и фазовая модуляции (ЧМ и ФМ) являются разновидностью угловой модуляции. При фазовой модуляции полная фаза связана с сигналом зависимостью

где	- значение частоты в отсутствии полезного,		сигнала,	– коэффициент
пропорциональности, а значение сигнала ФМ имеет вид
	ФМ	сигнал	достигает	максимальных
В	моменты времени, когда	cos	.

значений, абсолютный фазовый сдвиг между ФМ-сигналом и немодулированным колебанием оказывается наибольшим. Предельное значение этого фазового сдвига называют девиацией фазы ∆ .

На векторной диаграмме изображающий вектор постоянной длины будет совершать вращение с непостоянной угловой скоростью. Мгновенная частота

34

сигнала с угловой модуляцией определяется как первая производная от полной фазы по времени:

,

так что

				.
	При частотной модуляции сигнала (ЧМ) между величинами				и (t)
имеется связь вида:				.
Поэтому
			cos	.
∆		ЧМ
	Естественным параметром ЧМ-сигнала			является девиация	частоты
	Если .	– достаточно гладкая функция, то внешне осциллограммы ФМ

и ЧМ сигналов не отличаются (рис. 2.7). Однако имеется принципиальная разница: фазовый сдвиг между ФМ-сигналом и немодулированным колебанием пропорционален , в то время, как для ЧМ-сигнала этот сдвиг пропорционален интегралу от предаваемого сообщения.

Рис. 2.7. Осциллограмма типичного сигнала с угловой модуляцией

Анализ ЧМ- и ФМ-колебаний показывает, что ширина их спектра теоретически бесконечна. Даже при модуляции гармоническим колебанием с частотой Ω спектр ЧМ и ФМ колебаний содержит не две боковые составляющие, как при АМ, а значительное число боковых частот, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном частоте модуляции Ω.

35

Рассмотрим, как изменяются спектры ЧМ- и ФМ-колебаний в зависимости от величины m-индекса однотональной угловой модуляции

∆
Ω
На рис. 2.8 приведены спектральные.	диаграммы сигналов с угловой
модуляцией для различных . При небольшой девиации частоты (			) в
спектре значительны только составляющие с несущей частотой и две		боковые
		1

составляющие (рис. 2.8), а ширина спектра, как и в случае АМ, равна

удвоенной частоте модуляции .
С увеличением	индекса	модуляции	в	спектре происходит
	2Ω

возникновение новых спектральных составляющих (рис. 2.8 б, в). При этом с ростом амплитуда боковых составляющих увеличивается (они являются носителями информации), а несущее колебание уменьшается. С ещё большим ростом индекса модуляции расширяется полоса частот, занимаемая сигналом.

1 a

Ω

1 б

н

5

в

н

Рис. 2.8. Спектральные диаграммы при угловой модуляции

36

Несмотря на то, что спектр ЧМ и ФМ колебаний значительно шире, чем при АМ, угловая модуляция имеет ряд преимуществ по сравнению с АМ:

¾при ЧМ, ФМ излучаемая мощность передатчиком постоянна;

¾угловая модуляция более помехоустойчива;

¾эффективным и простым средством борьбы с действием помех является применение амплитудных ограничителей.

Частотная модуляция с помощью варикапа

Схема транзисторного автогенератора с варикапом для осуществления ЧМ приведена на рис. 2.9. Резисторы R1, R2, R3 обеспечивают режим работы транзистора по постоянному току. Дроссели L2, L3, L4 и конденсаторы C3–C7 – блокировочные. Автогенератор представляет собой ёмкостную трёхточку, содержащую элементы схемы C1, C2, L1. ЧМ осуществляется варикапом C8. По цепи C4L4 на p-n переход подаётся модулирующее напряжение, а по цепи R4L4 напряжение смещения, которое выбирают так, чтобы p-n переход всегда находился в закрытом состоянии.

к чм

C5		R1	L3	С7		L4	С4	Ω
					L1
			VT	C1			R4
	C6	R2					см
					C8
				C2
			L2
		R3		C3

Рис. 2.9. Схема частотной модуляции с помощью варикапа

Фазовый модулятор

Для получения ФМ можно использовать фазовую характеристику колебательного контура, включённого в коллектор усилительного каскада

(рис. 2.10).

37

к		ФМ
Г
VT	Свар	ƒ

м

	900
Евар	00
	-90

Рис. 2.10. Схема фазового модулятора

В качестве конденсатора контура используют варикап Свар . При подаче на варикап напряжения смещения Евар контур настраивают на частоту генератора Г, стабилизованную кварцем. Напряжение звуковой частоты вызывает изменение ёмкости варикапа и расстраивает контур. Фаза колебаний на выходе усилителя меняется, то есть происходит ФМ.

2.2. Однополосная модуляция

При передаче сигналов с АМ были отмечены два основных недостатка – низкая эффективность использования мощности передатчика и достаточно широкая полоса частот, занимаемая модулированным колебанием. Первый недостаток является следствием того, что мощность боковых полос спектра АМ-колебания, в которых заключена информация, составляет в предельном случае только 1/8 от максимальной мощности, отдаваемой передатчиком.

Второй недостаток связан с тем, что ширина спектра АМ-колебания в два раза больше ширины спектра передаваемого сигнала. Расширение спектра модулированного колебания приводит к уменьшению числа радиостанций, работающих в определённом частотном диапазоне. Кроме того, приёмник так же должен иметь ширину полосы пропускания, равную ширине спектра АМ-колебания. А чем шире полоса пропускания приёмника, тем больше сказывается действие помех, приводящих к искажению передаваемого сообщения.

38

Отмеченные недостатки передачи с АМ в значительной мере устраняются при использовании однополосной модуляции (ОМ). Действительно, если полезная информация полностью содержится в любой из двух боковых полос АМ-колебания, то для передачи сигнала можно осуществить передачу не всего спектра АМ-колебания, а только одной боковой полосы. При этом ширина спектра, излучаемого передатчиком колебания, уменьшается вдвое, а исключение из спектра сигнала составляющей несущей частоты позволяет лучше использовать мощность передатчика.

Сигналы с одной боковой полосой (ОБП или SSB – от англ. Single Side Band) по внешним характеристикам напоминают обычные АМ-сигналы. Суть ОМ можно пояснить с помощью рис. 2.11.

Ω

а

АМ

н– Ω

н

н+ Ω

б

ОМ

н+Ω н+Ω

в

Рис. 2.11. Получение сигнала с одной боковой полосой: а – спектр НЧ-колебания; б – спектр АМ-колебания; в – спектр ОМ-колебания

39

Как видно из рис. 2.11, при ОМ происходит перенос (транспортирование) спектра передаваемого колебания из низкочастотной области в область высоких частот.

Передавая вместо полного спектра АМ колебания только одну боковую частоту (например, верхнюю) получим на выходе приёмника

В приёмнике от местноговб		cos	(	Ω
	генераторавб н			гетеродина) восстанавливается
несущая	н	н ·cos		н
г

Для демодуляции ОМ-колебаний в приёмниках используют синхронный детектор (рис. 2.12).

	к
Сн	Rн

вых

VT

Uc

Uг

Рис. 2.12. Схема синхронного детектора

Так

как

, то дифференциальная

крутизна вольтамперной

характеристики подг

действием напряжения гетеродина будет изменяться

периодически во времени по закону представленному рядом Фурье

, на

Подав на вход такого

·cos

г

·cos2

г

.

диф

вб

вб

н

устройства сигнал

выходе детектора получим

,

где

-

коэффициент передачи

вых

·

н ·

вб

cos

Ω

детектора.

Проведя несложные расчеты, найдем выходное напряжение

В

синхронном

детекторе· ·

·

cos 2

Ω

cosΩ .

вых

2

н

вб

н

происходит подавление ВЧ-составляющих

выходного сигнала (за счет действия

н

) и

напряжение на

выходе будет

соответствовать переданному НЧ-сигналу

вых

2

·

н ·

вб ·cosΩ .

40

Глава 3. ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА В СИСТЕМЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Внедрение цифровой обработки сигналов в технику телекоммуникаций объясняется тем, что решение ряда практических задач с помощью аналоговой обработки просто невозможно. Рост информационных потоков обусловил непрерывное увеличение числа используемых сигналов и методов демодуляции. При аналоговой обработке сигналов это приводит к необходимости создания сложнейших модемов большой стоимости, чтобы обеспечить линейность характеристик, частотное разделение сигналов.

Внедрение цифровой обработки сигналов позволяет реализовать универсальные модемы, в которых изменением программы можно быстро перейти на новый вид сигнала и метод демодуляции. Передача информации в цифровом виде имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с передачей её в аналоговой форме, а именно:

¾обеспечивается универсальность обработки цифровых сигналов;

¾высокая помехоустойчивость цифровых сигналов, т.к. соотношение сигнал-шум почти не зависит от числа выполняемых с цифровыми сигналами операций;

¾возможность регенерации (восстановления) цифровых сигналов, что позволяет получить высокое качество передачи, независимо от протяжённости линии связи и числа промежуточных станций;

¾выходной сигнал цифровых схем не зависит от стабильности их коэффициентов усиления;

¾возможность широкого применения электронных запоминающих устройств, причем качество цифровых сигналов почти не зависит от времени их хранения;

¾возможность применения вычислительной техники при кодировании, преобразовании и анализе сигналов связи;

¾возможность использования стандартных, простых и дешёвых интегральных микросхем (цифровых), что значительно снижает стоимость системы;

¾разные виды сигналов (радиовещание, телевидение и т.д.) в цифровом виде имеют одинаковую форму, что позволяет создать интегральные сети.