Дослідження і розроблення сумісної системи односмугового радіомовлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження і розроблення сумісної системи односмугового радіомовлення

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика

Актуальність теми і стан питання.

У КХ діапазоні відповідно до рекомендації №563 МККР розбіг між несівними радіоканалів прийнято рівним 5 кГц. У частотному діапазоні до 27 МГц є більш 500 таких радіоканалів. Швидке зростання засобів радіомовлення останнім часом призвело до перевантаження частотного мовного діапазону. У зв'язку з високою щільністю випромінювання у КХ мовних діапазонах спостерігається збільшення рівня взаємних завад між радіостанціями і, як слідство цього, зменшення зони обслуговування передавача. При необхідності її збільшення необхідно підвищувати потужність передавача або збільшувати кількість передавачів, а це призводить до нового росту взаємних перешкод. Виділена для радіомовлення частина КХ діапазону може бути використана більш ефективно, якщо здійснити перехід на односмугове мовлення. У цьому випадку поліпшиться використання частотного спектра й у СХ діапазоні.

Незважаючи на те що рішення про введення односмугового мовлення (ОСМ) у КХ діапазоні було прийнято Міжнародною Спілкою Електрозв'язку у 1984 р., до цього часу рішення не реалізовано. Більш того, у переліку питань, висунутих МСЕ-Р для дослідження, до цього часу постає питання про радіомовлення з одною боковою смугою (ОБС) (ITU-R Question №61-1/10). При цьому термін закінчення дослідження продовжено до 1999 р. Такий тривалий термін дослідження пояснюється окремими труднощами впровадження радіомовлення з ОБС (випромінювання типу JЗЕ).

Не останню роль грає і чинник приймальних пристроїв. У населення є велика кількість дешевих приймачів із КХ діапазоном і немає впевненості, що придбатимуться нові більш дорогі приймачі із синхронним детектором.

Тим часом реалізація радіомовлення з ОБС і пригніченої на 6 дБ несівної (ОБС (-6 дБ)) (випромінювання типу R3Е (-6 дБ) може вирішити питання про більш ефективне використання частотного спектра. У цьому випадку немає потреби в заміні АМ приймачів.

Питаннями розробки сумісної системи радіомовлення з ОБС (сумісне односмугове мовлення - СОСМ) займалося багато дослідників: С.І. Тетельбаум (1939 р.), О. Віллард (1948 р.), Є.М. Верещагін (1955 р.), L. Kahn (1958 р.), С.А Чекчеєв (1994 р.).

До недоліків цих розробок слід віднести чутливість радіосигналів до частотно-фазових спотворень, що виникають внаслідок багатопроменевості поширення радіохвиль при КХ радіомовленні. Фазо-частотні спотворення викликають появу сигналів у пригніченій смузі, тобто до появи позасмугових випромінювань.

Внаслідок цього ці СОСМ не знайшли застосування у радіомовленні.

Єдина система односмугового мовлення, у якої при частотно-фазових спотвореннях не відбувається розширення спектра радіосигналу - це система радіомовлення з ОБС, і, як проміжний варіант, - система ОБС радіомовлення з частково пригніченою несівною, що може бути віднесено до СОСМ.

Незважаючи на те що ця система проходила експлуатаційні іспити і здійснювалися дослідні мовні передачі Шведського радіо, цілий ряд питань потребує додаткового дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У планах і темах науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного інституту радіо і телебачення.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є проведення ряду досліджень, спрямованих на удосконалювання системи радіомовлення з ОБС.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішуються наукові задачі:

розробка засобів оброблення мовних модулюючих сигналів у системі радіомовлення з ОБС (-6 дБ);

визначення захисних відношень по радіочастоті при роботі АМ і ОБС (-6 дБ) передавачів;

проведення суб'єктивно-статистичних експертиз для аналізу нелінійних спотворень мовних сигналів при прийомі радіосигналів з ОБС і різним рівнем пригнічення несівної приймачем з лінійним детектором;

аналіз можливості побудови системи стереофонічного радіомовлення при передачі сигналів стереопари в незалежних смугах;

аналіз роботи ОБС передавачів у системі синхронного радіомовлення.

Наукова новизна роботи. У дисертаційній роботі отримані такі наукові результати.

Вирішено математичну задачу по розкладу в тригонометричні ряди нелінійних функцій, що відображають огинаючі радіосигналів систем монофонічного ОБС мовлення, стереофонічного ОБС мовлення (в одній смузі сигнал стереопари А, а інший - В).

Запропоновано методи оцінки нелінійних спотворень огинаючих, враховуюче їхнє суб'єктивне сприйняття при різному рівні пригнічення несівної.

Розроблено методи оброблення мовних сигналів, використовуваних у системі радіомовлення з ОБС (-6 дБ).

На основі суб'єктивно-статистичних експертиз отримано значення захисних відношень по радіочастоті при роботі АМ і ОБС (-6 дБ) передавачів.

Аналіз синхронної роботи АМ і ОБС (-6 дБ) передавачів.

Запропоновано метод корекції нелінійних спотворень у системі стереофонічного радіомовлення.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані результати аналізу нелінійних спотворень мовних сигналів дозволяють по-новому оцінити вимоги до чисельного значення коефіцієнта гармонік мовного тракту.

Запропоновано ефективні засоби оброблення мовних сигналів у системі радіомовлення з ОБС (-6 дБ).

У результаті суб'єктивно-статистичних експертиз отримано необхідні значення захисних відношень по радіочастоті при роботі передавачів у сумісних і суміжних частотних каналах.

Запропонований засіб корекції нелінійних спотворень дозволяє істотно поліпшити характеристики стереофонічної системи.

Показано, що в синхронному режимі можуть ефективно працювати як АМ передавачі, так і ОБС передавачі.

Основні теоретичні висновки і практичні результати дисертаційної роботи використані в НДР, проведеної в Українському науково-дослідному інституті радіо і телебачення «Розробка систем проводового мовлення з використанням нових методів», а також знайшли відбиток у курсі «Телерадіомовлення», що читається для студентів 4-го курсу факультету РЗ, РМ та ТБ УДАЗ ім. О.С. Попова.

Апробація роботи. Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи розглянуті на III Міжнародної конференції по електрозв'язку, телевізійному і звуковому мовленню, а також обговорювалися на наукових конференціях УДАЗ ім. О.С. Попова і наукових семінарах кафедр радіотехнічних пристроїв та телебачення і радіомовлення.

Публікації. З теми дисертаційної роботи опубліковано чотири наукові роботи.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, восьми розділів, висновків і списку літератури. Робота містить 138 сторінки тексту, 26 рисунків, 3 сторінки бібліографії (50 найменувань).

У вступі обгрунтовується актуальність розв'язання проблем, аналізується стан радіомовлення з ОБС, сформульовано мету роботи і задачі дослідження.

Зміст роботи

передавач сигнал радіомовлення

У першому розділі проведено порівняльну оцінку методів організації сумісної системи радіомовлення з односмуговими спектрами. Аналізуються методи, запропоновані С.І. Тетельбаумом, Чжан Цунь-Чжином, О. Віллардом, Л.Р. Каном, Е.М. Верещагіним, С.А. Чекчеєвым.

Відзначаються основні недоліки цих методів - чутливість до фазових спотворень. Тому вони також не можуть бути використані при КХ мовленні і СХ мовленні у нічний час.

У другому розділі проведено аналіз нелінійних спотворень, що виникають на виході приймача з лінійним детектором при прийомі сумісного радіосигналу з ОБС і пригніченої на 6 дБ несівної (випромінювання R3Е). При модуляції одним тональним сигналом з круговою частотою на виході передавача одержимо

(1)

де - огинаюча радіосигналу.

Вираз U₁(t) нелінійний, тому на виході лінійного детектора крім складової з частотою з'являться гармоніки.

Розкладаючи цю функцію в ряд Фур'є, одержимо

(2)

Для коефіцієнтів ряду Фур'є були отримані такі розрахункові формули

, ; (3)

; (4)

де . (5)

У цих виразах Е() і F() - повні еліптичні інтеграли від аргументу .

Результати розрахунку для m=0,9: U₁=0,6; U₂=0,12; U₃=0,05; К_г2=20%; К_г3=9%; К_г=23%.

Модуляція одним тоном, хоча і корисна для аналізу, є окремим випадком. Найчастіше модулюючий сигнал можна уявити як суму кількох простих коливань. Розглянемо випадок модуляції двома тонами і 5. При цьому вираз для огинаючої буде мати вид

, (6)

Огинаюча U₂(t) також спотворена.

Скористатися для розкладання в ряд Фур'є функції U₂(t) методом, наведеним вище, не можна через труднощі розкладання еліптичних інтегралів у ряди. Зазначені труднощі можна обійти, якщо функцію на відрізку її існування апроксимувати поліномом 6-го ступеня.

Після перетворення

(7)

де при 0m0,5 -0,5x(t)0,83.

Функцію на інтервалі -0,5x(t)0,83 апроксимують функцією виду

=1+q₁x+q₂x²+q₃x³+q₄x⁴+q₅x⁵+q₆x⁶. (8)

Після розв'язання системи рівнянь визначено коефіцієнти q₁q₆ і обчислено амплітуди гармонік

. (9)

Отримано розрахункові формули при m=0,45. Коефіцієнт другої гармоніки К_г2=9,8%, коефіцієнт третьої - К_г3=3,5%; К_г=17,5%.

Значення коефіцієнтів гармонік 23% (m=0,9) і 17,5% (m=0,45) значно більше тих, що рекомендують для радіомовлення.

Особливістю тригонометричних рядів, отриманих при розкладанні функцій U₁(t) і U₂(t), є перевага другої гармоніки. З огляду на те, що друга гармоніка є консонівною, варто очікувати менш негативний її вплив на слух.

У третьому розділі проведено суб'єктивно-статистичні експертизи по оцінці якості звуковідтворення при прийомі радіосигналів з ОБС з різним ступенем пригнічення несівної і впливу на якість звуковідтворення нелінійних спотворень.

З метою проведення таких експертиз було розроблено модель радіоканалу з АМ і ОБС передавачами. У якості модулюючих сигналів використовувалися фрагменти різних жанрів: чоловіча і жіноча мова, естрадна і класична оркестрова музика, чоловічий і жіночий спів (соло). Використовувалася п'ятибальна шкала оцінок погіршення якості: 5 - непомітно; 4 - помітно, але не заважає, 3 - помітно і заважає, 2 - заважає, 1 - сильно заважає.

При прослуховуванні експертами (n=32) кожного з фрагментів дискретно змінювався рівень несівної. Результати досліджень наведено на рис. 1 - 2.

Очевидно, що для усіх видів модулюючих сигналів, передача з поооригніченю на 6 дБ несівною в радіосигналі з ОБС відповідає якості звуковідтворення оцінюваному не менше 3,5 бала. Це відповідає Рекомендації МСЕ-Р для мономовлення в діапазоні КХ і СХ. При передачі мовних сигналів якість звуковідтворення наближається до оцінки «добре».

Дослідження показали, що для цього виду передач можна здійснювати пригнічення несівної і на 9 дБ, але поліпшивши при цьому енергетичні показники передавача.

Додатково були проведені суб'єктивно-статистичні експертизи з порівняння якості звуковідтворення при прийомі АМ радіосигналів і радіосигналів з ОБС.

Дані статистичних перевірок за критерієм знаків повних і усічених вибірок дають повну підставу прийняти гіпотезу про практично однакову якість прийому радіосигналів з АМ (К_г<3%) і з ОБС (К_г20 - 23%).

Для з'ясовування причин того, що якість звуковідтворення мовних сигналів при настільки різних значеннях коефіцієнта гармонік практично одинакова, було проведено спеціальні суб'єктивно-статистичні експертизи.

Мовні сигнали оброблювалися у блоці нелінійності, де здійснювалося симетричне або несиметричне обмеження мовних сигналів, і після цього прослуховувались за допомогою акустичної системи. Ці самі сигнали подавалися на вхід ОБС передавача. Радіосигнали приймалися приймачем і прослуховувалися за допомогою тієї самої акустичної системи.

Змінюючи ступінь внесених нелінійних спотворень, слухач домагався суб'єктивно однакової якості звуковідтворення аудіосигналів, які пройшли нелінійну обробку, і сигналів, виділених на виході приймача, що приймав радіосигнали з ОБС. Показано, що суб'єктивно однакова якість звуковідтворення спостерігалася при прослуховуванні фрагментів передач при значенні коефіцієнтів гармонік: К_г4% (К_г33,5%; К_г52,5%; К_г2= К_г4=0% - симетричне обмеження), К_г11 - 13% (К_г210 - 11%; К_г36,5% - несиметричне обмеження), К_г20 - 23% (К_г2 18 - 20%; К_г3=7 - 9% - радіосигнал з ОБС (-6 дБ)).

Звідси випливає, що великі значення К_г, які одержуються при радіомовленні з ОБС і несівною, пригніченою на 6 дБ, неадекватні нелінійним спотворенням, що утворюються при передачі сигналів звука. У першу чергу це пояснюється тим, що в структурі ряду Фур'є, який являє собою огинаючу сигналу в режимі RЗЕ превалює 2-а гармоніка.

Помітність парних гармонік менша, ніж непарних, що пояснюється особливостями слуху: друга гармоніка з першою основною, складає октаву. Октава ж є складовою акорду, благозвучного звуку. Крім того, друга, парна, гармоніка маскує третю, непарну. При наявності у спектрі другої гармоніки великої амплітуди заважаюча дія третьої позначається у значно меншій мірі.

У четвертому розділі виконано суб'єктивно-статистичні дослідження переваги настроювання приймача слухачами при радіомовному прийомі.

Було розроблено модель радіоканалу, що дозволяє змінювати положення несівної частоти радіосигналу у смузі пропускання фільтра підсилювача проміжної частоти приймача. Смуга пропускання ППЧ на рівні - 6 дБ складала 6 кГц. На рис. 3 і 4 наведено гістограми розподілу кількості настроювань при прослуховуванні відповідно мовних і музичних сигналів при звичайній АМ.

Отримані результати дозволяють вважати, що в умовах задовільного прийому радіосигналів із AM (А>26) настроювання приймача не є резонансним.

Зсув значення несівної за проміжною частотою при вузькій смузі пропускання приймача складає в середньому ±2 кГц.

Це означає, що слухач практично здійснює радіомовний прийом при частково або цілком пригніченою однією з окових смуг, тобто формує в приймачі радіосигнал з ОБС і пригніченою несівною.

У п'ятому розділі наведено результати суб'єктивно-статистичних експертиз з визначення оптимального оброблення модулюючого сигналу у системі ОСМ.

Модулюючі сигнали мовної передачі, фрагменти різних жанрів (див. розд. 3), піддавалися обробці у блоках частотних коректорів і компресора. Потім ці сигнали подавалися на вхід ОБС передавача. Прослуховування здійснювалося за допомогою АМ приймача. Отримані усереднені оцінки якості звуковідтворення різного звукового матеріалу, виставлені експертами при різноманітних характеристиках пристроїв оброблення сигналів, призначені в основу рекомендації по обробці модулюючих сигналів.

Оброблення сигналів звука при формуванні звукового матеріалу доцільно робити в частотному коректорі з підйомом АЧХ на частоті 4,5 кГц +9 або +15 дБ.

Рекомендується застосовувати компресор, що зменшує динамічний діапазон сигналів звука на 11 дБ. Великий ступінь стискання призводить до істотного погіршення якості звуковідтворення.

У шостому розділі розглядаються захисні відношення по радіочастоті у мережі, в якій працюють передавачі з ОБС (-6 дБ). Для визначення захисних відношень на радіочастоті а, дБ використовувалась модель радіоканала, що включає АМ передавач і два ОБС передавачі (несівна пригнічена на 6 дБ) (див. розд. 3). Для модуляції використовувалися фонограми різних жанрів. Прослуховування здійснювалося за допомогою АМ приймача. У проведенні суб'єктивно-статистичних експертиз брала участь група експертів, попередньо ознайомлена з можливими видами спотворень. Користуючись каліброваним атенюатором, кожний експерт регулював напругу на виході заважаючого передавача, установлюючи його значення на порозі помітності заважаючого сигналу.

Захисне відношення по радіочастоті обчислюється за формулою

а=20lg (U_кор/U_зав), дБ, (10)

де U_кор і U_зав - напруги на антенному вході приймача, утворені відповідно корисним і заважаючим передавачем.

Розглядалися різні випадки роботи передавачів при неузгодженості несівних частот + 1 - 2 Гц.

Робота в суміщеному частотному каналі АМ передавача й ОБС передавача (несівна пригнічена на 6 дБ).

Робота в суміжному частотному каналі ОБС (-6 дБ) передавачів (при рознесенні несівних частот 5 кГц).

Робота у суміжному частотному каналі ОБС (-6 дБ) передавачів при рознесенні несівних частот 10 кГц.

Результати проведених експертиз показують, що помітність заважаючих сигналів, у випадку роботи передавача в суміщеному каналі найбільша при передачі мовних сигналів. Це можна пояснити їх малим маскуючим ефектом.

Рекомендованим значенням захисного відношення при роботі ОБС передавачів у суміщеному частотному каналі і неузгодженості несівних частот 1 - 2 Гц можна вважати 35 дБ. При більшій неузгодженості норма захисного відношення по радіочастоті повинна збільшитися у відповідності з існуючими рекомендаціями. При роботі в суміжному частотному каналі нормою захисного відношення можна вважати 31 дБ.

При рознесенні несівних частот на 10 кГц можна відзначити значне зниження захисних відношень. Заважаючі сигнали дуже слабко позначаються на сприйнятті сигналів звука.

У розділі 7 розглядається стереофонічна система з двома незалежними смугами АМ.

Показано, що надмірність спектра в системі з АМ, при якій обидві бокові смуги несуть інформацію про той самий сигнал, дозволяє організувати систему стереофонічного радіомовлення. У цьому випадку в одній боковій смузі можна передати сигнал стереопари A(t), а в другій - B(t). Якщо ці сигнали тональні, то радіосигнал може бути подано у виді

. (11)

Представивши цей вираз у виді АМ-ФМ коливання, одержимо вираз для огинаючої, що виділяється на виході лінійного детектора АМ монофонічного приймача

. (12)

Вираз для огинаючеї нелінійний. При розкладанні цього виразу в ряд Фур'є використовувався метод, викладений у розділі 2. Чисельний розрахунок при _В=5_А та m=0,45 дає К_г=18,13%. Для зниження К_г було розроблено схему корекції нелінійних спотворень.

Неспотворений прийом односмугового радіосигналу може бути забезпечений за допомогою додаткової фазової модуляції (t). Вираз для що огинаючої ОБС сигналу буде мати вид

. (13)

Показано, що спотворення будуть малі при

, (14)

Звідси випливає, що модулюючий сигнал необхідно скласти з його другою гармонікою. Така корекція може бути реалізована як для передачі монофонічних сигналів (система з ОБС), так і стереофонічних.

Наведено розрахунок нелінійних спотворень для огинаючої

. (15)

де m₁ - ваговий коефіцієнт функції корекції.

При m=0,7 і m₁=0,1 значення К_г=3%; при m₁=0 К_г=13%.

Запропоновано пристрій для одержання 2-ої гармоніки мовного сигналу.

У розділі 8 розглянуто причини появи спотворень прийому при роботі в синхронній мережі передавачів з ОБС.

При роботі «n» передавачів у синхронній мережі вираз для огинаючої АМ-ФМ коливання буде мати вид

(16)

де при гармонійному модулюючому сигналі з частотою

M(t)=1+mcos t, S(t)=msin t,

M (t-t₁)=1+mcos (t-t₁), S (t-t₁)=msin (t-t₁), t₁=(r₁-r₀)/c, …, t_n=(r_n-r₀)/c - різниця часу пробігу електромагнітної хвилі до місця прийому, що знаходиться на відстані r₀ від передавача П₀ і rn - від «n» - го передавача, - захисні відношення по радіочастоті.

Через складність аналізу загального виразу аналізувався вираз R(t) при роботі двох передавачів. У цьому випадку

(17)

де Т₁=t₁+, - різниця часу пробігу модулюючих сигналів від джерела до передавачів П1 і П2 (несинфазність модуляції).

Розкладання функції R(t) у ряд Фур'є виконувалося за допомогою комп'ютера.

Результати розрахунку нелінійних спотворень функції R(t) показують, що основною за значенням є друга гармоніка. Це означає, що помітність спотворень при коефіцієнті нелінійності 20 - 25%, як це показано в розділі 3, може бути невелика і відповідати суб'єктивно значно меншому значенню (3 - 4%).

Розглянуто особливості синхронної роботи АМ передавача і передавача ОБС. Показано, що нелінійні спотворення огинаючої менші, ніж у випадку роботи двох ОБС передавачів.

У висновках сформульовано основні результати дисертаційної роботи.

Досліджено нелінійні спотворення огинаючої радіосигналу з ОБС і пригніченою на 6 дБ несівною, виділеною на виході лінійного детектора приймача.

Розроблено модель радіоканалу, що включають АМ і ОБС передавачі, що дозволяє проводити суб'єктивно-статистичні експертизи по оцінці якості прийому.

Проведено суб'єктивно-статистичні експертизи по оцінці погіршення якості звуковідтворення у випадку прийому радіосигналів з ОБС і різним ступенем пригнічення несівної. Показано, що оцінці якості 3,5 (рекомендація МСЕ-Р) відповідають усі види жанрів передач при пригніченні несівної на 6 дБ. Мовним передачам відповідає оцінка 4.

Проведено суб'єктивно-статистичні експертизи з порівняння якості звуковідтворення при прийомі радіосигналів, що випромінюються АМ і ОБС передавачами. Показано, що якість прийому практично однакова.

Виконано аналіз з суб'єктивної оцінки якості мовних передач при наявності нелінійних спотворень у тракті.

Досліджено перевагу настроювання приймача при прийомі сигналів АМ передавача. Показано, що настроювання не є резонансним.

У результаті проведення суб'єктивно-статистичних експертиз дано рекомендації по обробці модулюючих сигналів для СОСМ.

Розроблено методику дослідження й отримано розрахункові дані захисних відношень по радіочастоті.

Розглянуто можливість побудови системи стереофонічного радіомовлення при передачі сигналів стереопари у двох незалежних смугах. Розроблено метод компенсації нелінійних спотворень огинаючої радіосигналу.

Досліджувано спотворення прийому у синхронній мережі при роботі ОБС передавачів спільній роботі АМ і ОБС передавачів.

За результатами проведених досліджень опубліковано такі роботи

Габше Хуссейн. Работа передатчиков с ОБП в синхронном режиме // Труды УНИИРТ. - 1999. - №1. - С. 49-51.

Балан Н.М., Габше Хуссейн. Исследование предпочтительности настройки приемника слушателями при радиовещательном приеме // Труды УНИИРТ. - 1999. - №2. - С. 53-56.

Захарин В.М., Балан Н.М., Габше Хуссейн. Анализ нелинейных искажений в радиовещании // Информатика и связь: Сб. науч. тр. УГАС им. А.С. Попова. - Одесса, 1999. - С. 112-115.

Габше Хуссейн. Система совместимого однополосного радиовещания // III Международная конференция по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию. - Украина, Одесса. - 1997. - С. 224.

Размещено на Allbest.ru