Радиоканалы для передачи сообщений с однополосной модуляцией (ОМ) и ОМн

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

на тему: «Радиоканалы для передачи сообщений с однополосной модуляцией (ОМ) и ОМн»

План

Введение

1. Принцип работы

2. Применение

3. Передатчики с однополосной модуляцией

4. Преимущества применения однополосной модуляции в системах связи. Области применения

5. Формирование и прием сигналов с ОМ

6. Радиоканалы с однополосной модуляцией

Использованная литература

Введение

Большой практический интерес к ОМ и широкое внедрение радиооборудования с

ОМ, особенно в КВ диапазоне объясняется известными преимуществами этого вида модуляции по сравнению с АМ и ЧМ.

Очевидным и важным преимуществом ОМ является наиболее узкая полоса частот, занимаемая сигналом с ОМ в радиоканале. Она почти равна полосе исходного модулирующего сигнала. Полоса частот, занимаемая колебанием с АМ, по меньшей мере в 2 раза шире. Благодаря этой особенности ОМ ее применение в системах радиосвязи позволяет почти в 2 раза по сравнению с АМ уменьшить необходимые полосы радиоканалов и тем самым увеличить вдвое число действующих радиосвязей в одном и том же диапазоне частот.

Важным преимуществом ОМ перед АМ является возможность получения в системах радиосвязи с ОМ энергетического выигрыша.

При АМ всё передаваемое сообщение заключено в каждой из боковых полос, так как одна полоса по составу является зеркальным отражением другой. Несущая частота играет вспомогательную роль - переносит информацию о точном значении частоты и фазы колебаний, необходимых для одновременного синфазного детектирования обоих полос АМ сигнала. Без потери передаваемой информации одну из полос можно исключить. Это позволит вдвое сократить занимаемую в эфире полосу частот, но в то же время вдвое уменьшит напряжение на выходе детектора приемника, так как теперь детектируется лишь одна боковая полоса. Экономии энергии передатчика это не дает, так как средняя относительная мощность боковых полос в АМ сигнале невелика (порядка 2%).

Однополосная модуляция (Амплитудная модуляция с одной боковой полосой) (ОМ, англ. Single-sideband modulation, SSB) -- разновидность амплитудной модуляции (AM), широко применяемая в аппаратуре каналообразования для эффективного использования спектра канала и мощности передающей радиоаппаратуры.

1. Принцип работы

радиоканал сообщение однополосная модуляция сигнал

В радиосигнале с АМ 50 % мощности передатчика расходуется на излучение сигнала несущей частоты, который не содержит никакой информации о модулирующем сигнале. Остальные 50 % делятся поровну между двумя боковыми частотными полосами, которые представляют собой точное зеркальное отображение друг друга. Таким образом, без всякого ущерба для передаваемой информации можно исключить из спектра сигнала несущую и одну из боковых полос, и расходовать всю мощность передатчика для излучения только информативного сигнала.

В детекторе приемника для декодирования однополосного сигнала приходится восстанавливать несущую, то есть смешивать однополосный сигнал и частоту специального гетеродина. В супергетеродине для этого ставится отдельный гетеродин, работающий на частоте, равной последней ПЧ; в приемнике прямого преобразования несущую восстанавливает единственный гетеродин приемника; приемники прямого усиления для приема ОМ, вообще говоря, непригодны.

Сигнал с однополосной модуляцией занимает в радиоэфире полосу частот вдвое уже, чем амплитудно-модулированный, что позволяет более эффективно использовать частотный ресурс и повысить дальность связи за счет использования ионосферного распространения, которое нельзя использовать для более широкополосных каналов. Кроме того, когда на близких частотах работают несколько станций с ОМ, они не создают друг другу помех в виде биений, что происходит при применении амплитудной модуляции с неподавленной несущей частотой.

Недостатком метода являются относительная сложность аппаратуры и повышенные требования к частотной точности и стабильности.

Для формирования сигнала ОМ используются различные методы:

- Фильтровый (наиболее распространенный): на выходе смесителя ставится высокодобротный полосовой фильтр с шириной полосы пропускания, равной одной боковой полосе. С этой целью применяются, например, лестничные фильтры на кварцевых резонаторах или электромеханические фильтры.

- Фазоинверсионный (фазокомпенсационный): одна из боковых полос инвертируется по фазе и складывается сама с собой (компенсируется). Несущая при этом подавляется фильтром или балансным модулятором.

2. Применение

- ОМ (SSB) ввиду своей эффективности широко используется в профессиональной и любительской радиосвязи на коротких и ультракоротких волнах. АМ в этой сфере уже почти не применяется.

- ОМ использовалась в междугородней телефонной связи (например, в таких распространённых аналоговых системах передачи, как К-60П, К-300 и других), пока не была вытеснена цифровыми системами передачи на основе ИКМ. Она обеспечивала возможность передачи наибольшего количества каналов ТЧ по одной паре.

- Использование ОМ (SSB) приводит к существенному усложнению и удорожанию приёмной радиоаппаратуры, поэтому в бытовом радиовещании в последнее время вещание на однополосной модуляции свернуто и введено цифровое вещание в стандарте DRM. Одной из причин отказа от SSB в радиовещании также является характерное звучание, некая «синтетичность» голоса.

- Как правило, в Европе используется верхняя боковая полоса (USB), в США, наоборот, нижняя боковая полоса (LSB). В любительской радиосвязи принято использовать нижнюю полосу на низкочастотных диапазонах (до 40-метрового включительно), и верхнюю -- на всех остальных. Многие приемо-передающие устройства как профессионального, так и любительского назначения имеют переключатель, позволяющий выбрать любую боковую полосу. Иногда в любительских передатчиках ради упрощения схемы подавляют только несущую (такой способ называется DSB -- англ. double side band), но работать таким видом излучения разрешено не во всех странах.

3. Передатчики с однополосной модуляцией

Идея однополосной модуляции (ОМ) и передачи сообщения по каналу связи с помощью однополосно-модулированного колебания относится к 1914 г., когда М.В. Шулейкин, рассматривая вопрос о роли боковых полос АМ колебания, показал, что каждая боковая полоса содержит полную информацию о модулирующем сиг нале. В последующие годы работами ряда ученых, и в том числе В. А. Котельникова, Д. Мидлтона, М. В. Верзунова и других, по казана строгая общность этих видов модуляции (АМ и ОМ), а так же рассмотрены пути построения модуляторов однополосно-модулированных сигналов. Этот ход событий объясняет происхождение терминов «однополосная модуляция» «однополосная амплитудная модуляция». Общность же этих видов модуляций показала широко используемый путь построения однополосного модулятора в виде комбинации амплитудного модулятора и полосового фильтра, про пускающего одну из боковых полос. Затем был предложен ряд других способов получения сигналов с ОМ. Однако большинстве из них на практике не использованы и поэтому ниже только упоминаются.

Реализация радиоустройств с ОМ в Советском Союзе началась в конце 30-х годов. В 1940 г. под руководством В. А. Котельникова была построена опытная КВ радиолиния Москва -- Хабаровск с использованием ОМ. За последние 25 лет были разработаны и освоены в производстве современные возбудители (ВО-71, ВК-74), линейка однополосных передатчиков мощностью от 5 кВт до 100 кВт (ПКМ-5, ПКМ-20, РС-100) и соответствующих приемников [1.1]. В настоящее время идет совершенствование оборудования с ОМ в направлении повышения качественных показателей и боль шей автоматизации, а также дальнейшее его внедрение.

Для удобства рассмотрения последующих вопросов введем не которые обозначения и понятия.

Модулирующий сигнал -- передаваемое сообщение (телефонное, фототелеграфное, многоканальное телеграфное) занимает ограниченную полосу частоти имеет амплитуды А(t) в пределахгде-- максимальная амплитуда, ограниченная возможностями источника сообщений или нелинейностью АХ канала связи до входа передатчика. Из теории передачи сигналов известны несколько видов записи для мгновенных значений таких сигналов:

(1.1)

В этой записи-- амплитуды, частоты и фазы спектральных составляющих модулирующего сигнала; -- мгновенная амплитуда;--средняя частота спектра;--мгновенная фа за модулирующего сигнала. В ряде случаев удобно воспользоваться безразмерной относительной амплитудой а модулирующий сигнал записывать в виде:

(1.2)

В общем случае величиныявляются случайными функциями времени. Относительная амплитуда изменяется в пределах

Если модулирующий сигнал (1.2) подать на вход АМ модуля тора, то сигнал на его выходе:

 (1.3)

После подавления колебания с несущей частотой и колебания в нежелательной боковой полосе получим сигнал с ОМ:

(1.4)

Если теперь учтем, что то сигнал с ОМ запишем в окончательном виде:

(1.5)

Можно видеть, что в отличие от АМ, ЧМ и ФМ, где при модуляции изменяется лишь один параметр ВЧ колебания -- амплитуда или фазовый угол, -- при однополосной модуляции изменяются одновременно оба параметра. Именно поэтому однополосную модуляцию иногда называют амплитудно-фазовой модуляцией, при которой передаваемая информация оказывается заложенной в изменениях амплитуды и фазы.

Из (1.5) видно, что амплитуда сигнала с ОМ пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала (1.2). Следовательно, если по дать модулирующее колебание и соответствующий ему однополосный сигнал на входы двулучевого осциллографа, то на экране увидим два колебания с одинаково изменяющимися огибающими (рис. 1.1), различающиеся только частотой наполняющего колебания. В отличие от этого при АМ огибающая модулированного колебания повторяет ход мгновенных значений модулирующего колебания.

Другими словами, спектры однополосно-модулированного и исходного модулирующего сигнала хотя и размещены на частотной оси в разных областях, но одинаковы по ширине и составу компонент. На рис. 1.2 для иллюстрации показаны в координатах спектр модулирующего сигнала рис. 1.2,а и соответствующих ему амплитудно-модулированного сигнала, рис. 1.2,6 и сигналов с однополосной модуляцией. Спектр модулирующего сигнала изображен трапецеидальным. Низкочастотным компонентам со ответствуют малые ординаты. Это правило используется и на других рисунках.

На рис. 1.2,в показан спектр сигнала с ОМ для случая, когда сигнал с ОМ соответствует верхней боковой полосе сиг нала с АМ. В этом случае средняя частота спектра На рис. 1.2,г приведен спектр сигнала с ОМ, соответствующего нижней боковой полосе.

Здесь средняя частота спектра ниже несущей частоты, а составляющие спектра, соответствующие нижним модулирующим частотам, оказались выше (по частоте) составляющих спектра, соответствующих верхним модулирующим частотам. Произошла, как говорят, инверсия спектра.

В связи с такой природой сигналов с ОМ операцию однополосной модуляции можно назвать транспонированием (переносом по частоте) сигнала (1.2) в область более высоких частот с ин версией или без инверсии спектра. Эта особенность ОМ широко используется на практике, поскольку для получения ВЧ сигналов с различными видами модуляции и манипуляции достаточно сформировать НЧ сигнал с нужными видом и параметрами модуляции и подать его на вход передатчика с ОМ. Например, если сформировать НЧ модулирующий сигнал в виде сигнала с АМ:

(1.6)

и подать его на вход однополосного модулятора, то на выходе модулятора получим, т. е. амплитудно-модулированный сигнал с несущей частотой

4. Преимущества применения однополосной модуляции в системах связи. Области применения

Большой практический интерес к ОМ и широкое внедрение радиооборудования с ОМ, особенно в КВ диапазоне, объясняется известными преимуществами этого вида модуляции по сравнению с АМ и ЧМ.

Очевидным и важным преимуществом ОМ является наиболее узкая полоса частот, занимаемая сигналом с ОМ в радиоканале. Она почти равна полосе частот исходного модулирующего сигнала. Полоса частот, занимаемая колебанием с АМ, по меньшей мере, в 2 раза шире. При ЧМ занимаемая полоса еще шире. Благодаря этой особенности ОМ ее применение в системах радиосвязи позволяет почти в 2 раза по сравнению с АМ уменьшить необходимые полосы радиоканалов и тем самым увеличить вдвое число действующих радиосвязей в одном и том же диапазоне частот.

Важным преимуществом ОМ перед АМ является возможность получения в системах радиосвязи с ОМ энергетического выигрыша. Рассмотрим это подробнее. Условимся, что в соответствии с системным подходом будем сравнивать энергетические показатели систем с ОМ и АМ при одинаковом полезном эффекте на выходе соответствующих приемников.

Поскольку наиболее важными характеристиками обеих систем является стоимость передатчиков, определяющая капитальные за траты на организацию системы, и стоимость их эксплуатации, главную часть которой составляют расходы на электроэнергию, сравнение систем с АМ и ОМ выполним по двум характеристикам: по номинальной мощности ламп, установленных в передатчиках с АМ и ОМ, и по средней потребляемой мощности при одинаковом полезном эффекте на приемной стороне. Будем считать, что одинаковый полезный эффект на стороне приема получается тогда, когда отношение сигнал-помеха на выходах приемников АМ и ОМ сигналов равны. Примем, что помехой на приемной стороне является флуктуационный шум. Тогда при полосе приемника ОМ сигналов вдвое более узкой, чем полоса приемника АМ сигналов, одинаковое отношение сигнал-помеха на выходах приемников получится, если мощности сигналов, несущих информацию при ОМ: и при АМ:, отличаются в 2 раза:

Мощность сигнала, несущего информацию, при АМ на входе приемника -- это мощность боковых полос. При пиковой мощности

колебания с АМ мощность боковых полос Следовательно,

(1.7)

Мощность сигнала, несущего информацию, при ОМ без остатка несущей на входе приемника с входным сопротивлением

(1.8)

Теперь, подставив (1.7) и (1.8) в полученное ранее соотношение Р^{инфАМ =} =2Р^инфАМ, получим соотношение между необходимыми пиковыми мощностями сигналов с АМ и ОМ, обеспечивающими одинаковый эффект на приеме:

(1.9)

При т=Х=1 это соотношение имеет вид

(1.10)

При одинаковых характеристиках радиотрактов обеих систем соотношения (1.9) и (1.10) будут справедливы для пиковых мощностей передатчиков этих систем.

Таким образом, номинальная мощность установленных ламп в передатчике с АМ должна быть больше, чем в передатчике с ОМ, в 16 раз при наличии усилителя модулированных колебаний на вы ходе передатчика с АМ или в 8 раз, если в передатчике с АМ реализована анодная модуляция в последнем каскаде.

Для сравнения средних потребляемых мощностей в системах с АМ и ОМ допустим, что передатчики этих систем выполнены с усилителем модулированных колебаний в оконечном каскаде, что главным потребителем энергии (более 90%) является анодная цепь выходного каскада и что средние значения КПД этих цепей равны в передатчиках с АМ и

Средние излучаемые мощности передатчиков с АМ и ОМ при с учетом (1.10) Следовательно, и средние потребляемые мощности будут отличаться примерно в 6 раз (8 дБ). При использовании в передатчике с АМ анодной или анодно-экранной модуляции потребляемая им мощность примерно в 4,4 раза (6,4 дБ) больше, чем в передатчике с ОМ.

Следует также учитывать, что при передаче АМ сигналов по КВ радиоканалам вследствие дисперсии фазовой характеристики последних происходит расфазирование колебаний в боковых полосах. Это приводит к искажениям переданных сигналов и заметному снижению их уровня напряжения на выходе детектора Потери мощности выходного сигнала из-за этого ориентировочно, оценивают в 50%. При передаче сигналов с ОМ все сообщение передается в одной боковой полосе, явление расфазирования отсутствует.

Таким образом, если учесть и этот эффект, то энергетический выигрыш при переходе от АМ к ОМ может составить 9... 11 дБ. Эти расчеты относятся к современным системам с ОМ с подавленной несущей, при работе которых на выходе передатчика ампли туда сигнала с частотой щ⁰ (см. рис. 1.2,б или в) составляет меньше 1% (--40дБ) амплитуды сигнала в пиковой точке

Область применения передатчиков с ОМ -- разнообразные системы радиосвязи для передачи телеграфной, телефонной и факсимильной информации. Проводятся исследования возможности использования этих передатчиков для моно и стереофонического вещания в средневолновом диапазоне [1.3, 1.6].

5. Формирование и прием сигналов с ОМ

В принципе сигнал с ОМ можно получить из сигнала с AM путем подавления несущего колебания и одной из боковых полос модуляции с помощью фильтра, пропускающего лишь колебания интересующей нас верхней или нижней боковой полосы частот. Однако частотная характеристика такого фильтра должна обладать очень крутым склоном со стороны отфильтровываемой несущей, что технически трудно реализуемо. Проще формировать сигнал с ОМ путем использования балансной модуляции с последующим выделением одной из боковых полос.

Балансной модуляцией (БМ) принято называть процесс перемножения мгновенных значений модулирующего и несущего колебаний. На примере модулирующего гармонического колебания частоты ? можно убедиться, что в процессе БМ возникают колебания двух боковых частот и подавляется несущее колебание. В самом деле, перемножая мгновенные значения несущего u=Umcosщt и модулирующего uм=Umмcos?t колебаний, находим

uбм=0.5UmUmм[cos(щ+?)t+cos(щ-?)t].

Для получения сигнала с ОМ достаточно сохранить одну из боковых полос, подавляя другую. Это выполнить проще, чем в случае AM, так как разнос самых низких частот боковых полос вдвое превышает разнос наименьшей частоты модуляции и несущего колебания.

Формирование сигнала с ОМ производят на сравнительно низкой поднесущей частоте, осуществляя затем преобразование полученного спектра в область высоких частот путем гетеродинирования. Процесс трансформации спектров колебаний при однополосной модуляции в передатчике показан на рис. 6, а, штриховыми линиями показаны частотные характеристики фильтров верхних частот.

Рис. 1.3 Спектры ОМ-сигналов и их преобразование в передатчике и приемнике: щп,щг,щпер-- частоты поднесущего, гетеродинного и излучаемого колебаний.

Процесс преобразования спектра сигнала с ОМ в приемнике представлен на рис. 6 ,б. Здесь процессы воспроизводятся в обратной последовательности по сравнению с процессами в передатчике. Важно подчеркнуть, что, для воспроизведения исходного сообщения в приемнике спектр принятого колебания необходимо дополнить колебанием несущей частоты. Это дополнение производится на частоте поднесущих колебаний.

Функциональная схема основных элементов тракта ОМ передатчика и приемника показана на рис. 7.

Рис. 1.4 Схема основных элементов трактов передатчика и приемника ОМ-сигналов.

Речевое сообщение a(t) после усиления в УНЧ подводится к балансному модулятору БМ, к которому подаются также колебания поднесущей частоты fп от синтезатора частот СЧ, общего для передатчика и приемника. Фильтр верхней полосы ФВП подавляет нижнюю полосу боковых частот на выходе БМ. Верхняя боковая полоса подвергается преобразованию в ПЧ с помощью гетеродинных колебаний fг, также поступающих от СЧ. Сформированная полоса высокочастотных колебаний проходит полосовой фильтр ПФ, подавляющий паразитные продукты гетеродинирования, подвергается усилению в усилителе мощности УМ и излучается.

В приемнике Прм производится преобразование частоты принятых сигналов и детектирование, причем к детектору Д, кроме принятого сигнала, подводятся также колебания восстановленной несущей, роль которой выполняют колебания третьей промежуточной частоты; формируемые в СЧ. На выходе усилителя низкой частоты приемника воспроизводится исходное сообщение a(t). 

Использованная литература

1. Хафизов А.В. «Радиооборудование ВС. Средства авиационной связи», Кировоград, 2011.

2. Олянюк П. В,Грачев В.В. «Авиационное радиооборудование», Москва, 1989.

3. В.В. Шахгильдян, В. Б. Козырев, В.М. Розов и др.; Под ред. В. В. Шахгильдяна «Радиопередающие устройства: Учебник для вузов» -- 3-е изд., М.: Радио и связь, 2003.

4. Логачев А. Ф. Средства радиосвязи управления воздушным движением, 1991.

Размещено на Allbest.ru