Первичные телефонные сигналы

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Телефонные сигналы являются результатом преобразования речевых сообщений. Они представляют собой непрерывно изменяющийся по величине ток (напряжение), однозначно отображающий звуковые колебания. Первичные телефонные сигналы относятся к непрерывным непериодическим сигналам.

Речь человека содержит звуковые колебания в диапазоне от 80 до 10000Гц, а слуховой аппарат способен воспринимать звуковые колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Установлено также, что основная часть средней мощности сигнала, обеспечивающая громкость речи, сосредоточена в диапазоне от 300 до 600 Гц; остальные частотные составляющие спектра обеспечивают окраску звука.

Усредненный энергетический спектр речевого сигнала показан на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Усредненный спектр речевого сигнала

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.

В радиовещании на длинных, средних и коротких волнах ЭППЧ будет составлять 50...4500 Гц, в УКВ диапазоне - 30... 10000 Гц, а для передачи стереофонических программ - 20...20000 Гц.

Первичные телеграфные сигналы

Телеграфное сообщение представляет собой буквенно-цифровой текст, отдельные знаки которого кодируются и преобразуются передатчиком в первичные или исходные электрические сигналы. Каждому знаку (букве, цифре) соответствует определенное сочетание электрических импульсов постоянного тока, называемое кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбинаций, построенных по некоторому правилу или по таблицам соответствия, называется кодом. Импульс наименьшей длительности t₀, 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. 3).

Важной характеристикой при передаче и приеме телеграфных сообщений является скорость телеграфирования. Скорость телеграфирования К_т определяется количеством элементарных импульсов сигнала, передаваемых в одну секунду. Единицей скорости телеграфирования является бод. Одному боду соответствует скорость телеграфирования, при которой один элементарный импульс передается в одну секунду.

Отсюда следует:

V_T= 1: t₀

Основная частота телеграфирования определится выражением:

F_T = 1: T = 1: 2t₀ = V_T: 2

С уменьшением длительности элементарных импульсов, т. е. с увеличением основной частоты телеграфирования, ширина спектра канала, необходимого для передачи сигнала, увеличивается.

Виды модуляции

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.

Модуляцией (манипуляцией) называется процесс взаимодействия двух колебаний (НЧ и ВЧ), при котором изменяется один или несколько параметров высокочастотного колебания (амплитуда, частота, фаза) по закону первичного низкочастотного колебания.

В зависимости от того, какой из параметров изменяется под воздействием модулирующего сигнала, различают три основных вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

Указанными видами модуляции не исчерпываются технические возможности передачи сообщений по радиоканалам. Например, в технике радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи широко применяются различные виды импульсной модуляции, при которых параметры периодической последовательности коротких импульсов (амплитуда, длительность, частота следования) изменяются по закону модулирующего колебания.

В технике военной радиосвязи для передачи непрерывных сообщений широко используются амплитудная, однополосная и частотная модуляции. Для передачи дискретных сообщений находят применение амплитудная, частотная и фазовая манипуляции.

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания изменяется в соответствии с изменением мгновенного значения модулирующего сигнала. На рис. 1.5 представлены формы модулирующего, модулируемого и амплитудно-модулированных сигналов.

Для простоты анализа в качестве модулирующего первичного сигнала взято гармоническое колебание низкой частоты W. В качестве модулируемого колебания взято высокочастотное колебание несущей частоты w. Амплитудно-модулированное (АМ) колебание представляет собой высокочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения напряжения низкой частоты.

Степень воздействия модулирующего колебания на колебание несущей частоты оценивается коэффициентом (глубиной) амплитудной модуляции, который определяется выражением

где – амплитуда несущего высокочастотного колебания;

– превышение амплитуды АМ колебания над амплитудой несущего колебания.

Рис. 1.5. Принцип амплитудной модуляции

Амплитудно-модулированное колебание является сложным и не является простой суммой колебаний высокой и низкой частот. Покажем это.

Пусть колебания высокой и низкой частот являются гармоническими и определяются выражениями:

В процессе модуляции амплитуда напряжения ВЧ сигнала изменяется по закону низкочастотного сигнала:

Тогда мгновенное значение модулированного напряжения можно записать в виде

Применив тригонометрическую формулу

получим:

(1)

Полученный результат показывает, что АМ колебание представляет собой сумму трех высокочастотных колебаний, имеющих частоты , и , и не содержит в себе низкой частоты W полезного сигнала.

Частоты и называются соответственно верхней и нижней боковыми частотами. Амплитуды колебаний боковых частот не превышают половины (при т = 1) амплитуды несущей частоты. Спектральный состав амплитудно-модулированного колебания показан на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Спектр АМ сигнала

Выше был рассмотрен спектр модулированного сигнала, когда в качестве первичного сигнала принималось простое гармоническое колебание. Реальные сигналы различных видов связи (телефонных и телеграфных) являются сложными и в частотном спектре занимают определенную полосу.

Как правило, передаваемый сигнал не является гармоническим и состоит из большого количества синусоидальных колебаний с разными амплитудами и частотами:

Поэтому и в структуре модулированного сигнала вместо боковых частот появятся боковые полосы. Очевидно, что спектр АМ сигнала в этом случае будет иметь в своем составе несущую частоту со и две боковых полосы частот: верхнюю , и нижнюю , (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Структура спектра телефонного АМ сигнала

Ширина полосы частот АМ телефонного сигнала может быть определена как разность между наибольшей верхней боковой частотой и наименьшей нижней боковой частотой:

т. е. ширина полосы АМ телефонного сигнала вдвое больше наивысшей частоты спектра первичного сигнала звуковой частоты. Считая F_B = 3400 Гц, получим ширину спектра, равную DF_c = 6800 Гц.

Колебание несущей частоты имеет постоянную амплитуду и не содержит в себе полезного сигнала. Передавать это колебание, в принципе, не обязательно. Несущая частота нужна в приемнике лишь для того, чтобы восстановить форму первичного сигнала. Полная информация о передаваемом сигнале заключена в равной степени в каждой из боковых полос частот.

Таким образом, 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. Действительно, амплитуда колебаний боковой частоты определяется выражением

где m - коэффициент амплитудной модуляции.

Несложно показать, что отношение между мощностями колебаний несущей и боковой частот будет равно

Поскольку m 1, то 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 [2].

Недостатки, свойственные амплитудной модуляции, устраняются при переходе к так называемой однополосной модуляции.

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.

Из анализа выражения (1) следует, что однополосная модуляция является особым видом амплитудно-частотной (фазовой) модуляции, при которой амплитуда высокочастотного колебания изменяется по закону изменения мгновенных амплитуд модулирующего сигнала (первичного электрического сигнала), а изменение частоты (фазы) происходит в соответствии с законом изменения мгновенной частоты модулирующего сигнала.

В настоящее время при работе в телефонном режиме на частотах до 20...30 МГц однополосная модуляция является основным видом управления колебаниями в радиопередатчиках.

Однополосная модуляция (ОМ) имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с применявшейся ранее амплитудной модуляцией (АМ).

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.

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 [3].

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 кВт на 1 кВт полезной мощности, а при ОМ – всего от 1, 1 до 2 кВт.

Наряду с достоинствами однополосной модуляции следует отметить некоторые трудности ее технической реализации.

Для демодуляции однополосного сигнала в приемном устройстве на детектор (демодулятор) приемника необходимо подать колебание несущей частоты. В противном случае информация о частоте первичного сигнала будет потеряна. Источником колебания восстановленной несущей является специальный гетеродин, причем частота этой несущей должна быть восстановлена с высокой степенью точности ( 25 Гц).

Вторая трудность внедрения однополосных сигналов в практику связана с необходимостью подавления несущей и второй боковой полосы частот в тракте передачи.

Существует несколько способов формирования однополосных радиосигналов: фильтровый, фазофильтровый, фазокомпенсационный, синтетический и др. В настоящее время широкое применение находит фильтровый способ, который предполагает выделение с помощью фильтров одной из боковых полос амплитудно-модулированного сигнала.

Несмотря на указанные технические трудности, однополосная модуляция нашла широкое применение в коротковолновой военной радиосвязи.

Частотная модуляция

При частотной модуляции (ЧМ или РЗ) амплитуда модулированного несущего колебания остается неизменной, а меняется только его частота в соответствии с изменением амплитуды первичного сигнала. На рис. 1.8 показаны формы исходного (модулирующего) и частотно-модулированного сигналов.

Максимальное отклонение частоты от среднего значения несущей называется девиацией частоты:

или .

Отношение

называется индексом частотной модуляции. Здесь W, (F) – частота первичного сигнала.

Рис. 1.8. Принцип частотной модуляции

Также как АМ колебание, частотно-модулированное колебание является сложным. Разложение ЧМ сигнала на гармонические составляющие требует достаточно сложных математических преобразований с использованием функции Бесселя.

Выполнение этих преобразований показывает, что спектр колебания при частотной модуляции состоит из колебаний с частотами w₀ (f₀) и бесконечного числа боковых частот, расположенных попарно симметрично относительно несущей частоты w₀ и отличающихся от последней на nW, где n - любое целое число.

Амплитуды боковых составляющих определяются выражением

где – амплитуда ВЧ колебания;

– функция Бесселя n-го порядка от аргумента .

Пример спектра ЧМ сигнала показан на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Спектр ЧМ сигнала

По величине индекса частотной модуляции различают:

– узкополосную ЧМ, когда < 1, т.е. < F;

– широкополосную ЧМ, когда > 1, т.е. > F;.

Теоретически спектр ЧМ колебаний бесконечно широк. Практически, начиная с некоторых частот, амплитуды гармоник столь малы, что ими можно пренебречь. На этом основании ширина спектра ЧМ колебаний определяется как диапазон частот, расположенный симметрично относительно несущей, за пределами которого нет гармоник с амплитудами, превосходящими 0, 01 .

Приближенно ширина спектра определяется формулой

(2)

Например, при девиации частоты = 5 кГц и наивысшей частоте спектра звукового сигнала F = 3, 4 кГц, принятых для военной радиосвязи, ширина спектра ЧМ сигнала составит DF_C » 2(5+3, 4)=16, 8 кГц.

При большом индексе частотной модуляции, когда > > 1, формула (2) принимает вид

т. е. ширина спектра практически равна удвоенной девиации частоты.

При малом индексе частотной модуляции < < 1ширина спектра будет равна

т. е. составит такую же величину, как и при амплитудной модуляции.

В технике радиосвязи при работе в телефонном режиме на частотах выше 20...30 МГц частотная модуляция нашла широкое применение, а в УКВ радиостанциях малой мощности (до 100 Вт) она является основным видом модуляции. Сигналы при ЧМ имеют более широкий спектр, чем при ОМ, но это обстоятельство при большой частотной емкости диапазона не является решающим при выборе вида модуляции. Кроме того, аппаратура, где применяется только частотная модуляция, значительно упрощается, что очень важно для маломощных радиостанций.

1. Назначение и основные эксплуатационно-технические
характеристики радиопередатчика

Радиопередатчиком называется радиотехническое устройство, преобразующее первичные электрические сигналы в радиосигналы определенной мощности, необходимой для обеспечения радиосвязи на заданное расстояние с требуемой надежностью.

Независимо от вида передаваемых сигналов передатчик выполняет следующие функции:

1) формирование сетки (множества) высокочастотных несущих колебаний в рабочем диапазоне с заданной дискретностью;

2) модуляция (или манипуляция) несущих колебаний по закону передаваемых первичных сигналов;

3) усиление сформированных радиосигналов до заданной мощности за счет энергии местных источников питания;

4) преобразование усиленных радиосигналов в электромагнитные волны.

В состав любого радиопередатчика, обобщенная структурная схема которого представлена на рис.2.1, входят следующие основные элементы: возбудитель, усилитель мощности, согласующее антенное устройство и система электропитания.

Рис. 2.1. Структурная схема радиопередатчика

Основными техническими характеристиками любого радиопередатчика являются:

– диапазон и количество рабочих частот;

– виды радиосигналов;

– мощность и коэффициент полезного действия;

– стабильность частоты излучаемых радиосигналов;

– уровень побочных излучений;

– время перестройки передатчика с одной частоты на другую.

1. Диапазон рабочих частот характеризуется двумя параметрами: граничными частотами диапазона и , а также коэффициентом перекрытия диапазона по частоте

В УКВ диапазоне обычно не превышает 1, 3 (в некоторых случаях может достигать величины 3, 0). Для передатчиков КВ диапазона значение коэффициента перекрытия колеблется в пределах 10-20.

При заданном интервале между соседними частотами (шаге сетки) диапазон частот определяет общее количество рабочих частот N, на которое может быть настроен передатчик:

Обычно интервалы между соседними частотами равны 0, 01; 0, 1; 1, 0; 10 и
25 кГц.

2. Виды радиосигналов, используемых для радиосвязи, можно разделить на две группы: телефонные, формируемые в процессе модуляции, и телеграфные, формируемые в процессе манипуляции.

В настоящее время при формировании телефонных радиосигналов наиболее широко используются методы однополосной (ОМ) и частотной (ЧМ) модуляции и практически не применяются устаревшие методы амплитудной (АМ) модуляции. При работе телеграфными радиосигналами применяются методы амплитудного (АТ), частотного (ЧТ и ДЧТ) и относительного фазового (ОФТ) телеграфирования.

3. Мощность радиопередатчика является одной из важнейших характеристик и в значительной степени определяет уровень сигнала в точке приема, а следовательно, дальность радиосвязи и ее надежность. Под мощностью радиопередатчика понимается средняя мощность радиосигнала, подводимая к передающей антенне.

Для всех видов телефонных радиосигналов (кроме ОМ) средняя мощность измеряется при отсутствии первичного сигнала (в режиме молчания). Для телефонных радиосигналов с ОМ мощность радиопередатчика определяется пиковой мощностью радиосигнала при максимальном (пиковом) значении первичного модулирующего сигнала. При работе радиопередатчиков телеграфными радиосигналами мощность оценивается средней мощностью, подводимой к антенне при передаче положительной (токовой) посылки первичного электрического сигнала или, как принято говорить, «в режиме нажатого ключа».

Общий (промышленный) КПД радиопередатчика определяется отношением мощности, подводимой к антенне, к общей мощности, потребляемой его цепями от первичного источника питания. В современных радиопередатчиках средней и большой мощности общий КПД составляет 25...30 % [2].

4. Стабильность частоты излучаемых радиосигналов определяет устойчивость и надежность радиосвязи, обеспечивает вхождение в связь без поиска корреспондентов и без подстройки приемника. Количественно стабильность частоты оценивается либо абсолютной, либо относительной нестабильностью.

Под абсолютной нестабильностью частоты понимается разность между ее текущим (измеренным) значением/и номинальным (требуемым) значением :

Относительная нестабильность частоты позволяет сравнивать передатчики, работающие в различных диапазонах, и определяется отношением абсолютной нестабильности к номинальному значению частоты, на котором осуществляется измерение:

Относительная нестабильность частоты современных радиопередатчиков составляет = 10^-6... 10^-7 и выше.

5. Уровень побочных излучений (колебаний). Под побочными (паразитными) излучениями понимаются радиосигналы, излучаемые антенной на частотах, расположенных за пределами спектра основного радиосигнала. Побочные колебания возникают в возбудителях и усилительных трактах, а также в САУ, если в них содержатся нелинейные элементы. Побочные излучения расширяют занимаемую радиосигналом полосу частот и оказывают мешающее действие соседним каналам связи.

Принято различать два вида побочных излучений: излучения на гармониках основной частоты, возникающие в результате нелинейного режима усиления радиосигнала в УМ, и излучения на комбинационных частотах, возникающие в результате нелинейных преобразований при формировании сигналов на рабочей частоте в возбудителе. Последние являются наиболее опасными, поскольку могут находиться в непосредственной близости от спектра основного радиосигнала и практически не фильтруются в усилительных каскадах передатчика.

Относительный уровень побочных излучений оценивается отношением мощности побочного излучения Р_пи к мощности основного излучения Р_А и выражается в децибелах:

В соответствии с современными требованиями гармоники основного излучения (вторые и более высокие) должны быть подавлены на выходе радиопередатчика не менее чем на 65 дБ.

Нормы по подавлению комбинационных частот следующие:

¨ в полосе частот, отстоящих от спектра основного сигнала на
(± 3, 5)…(± 25) кГц – не менее 80 дБ;

¨ 4 от ± 25 кГц и до ± 10 % от установленной частоты – не менее 120 дБ;

¨ свыше ± 10 % от установленной частоты – не менее 140 дБ.

6. Время перестройки передатчика с одной частоты на другую в значительной степени определяет надежность радиосвязи, особенно в условиях сложной помеховой обстановки. Современные радиопередатчики, имеющие системы заранее подготовленных частот (ЗПЧ), обеспечивают перестройку с одной ЗПЧ на другую в течение единиц секунд. В настоящее время предъявляются более жесткие требования к указанной характеристике. Так, при использовании радиостанций в частотно-адаптивных радиолиниях время перестройки должно ограничиваться единицами миллисекунд.

Кроме рассмотренных выше характеристик важное значение имеют также эксплуатационные и конструктивные характеристики радиопередатчиков:

– время готовности к работе, которое измеряется с момента включения радиопередатчика и до момента достижения номинальных значений параметров, в том числе требуемой стабильности частоты. В зависимости от типов радиопередатчиков и используемых в них усилительных элементов это время составляет от единиц секунд до десятков минут;

– время непрерывной работы. Радиопередатчики большой мощности, как правило, должны быть рассчитаны на непрерывную работу в течение суток, средней мощности - на непрерывную работу в течение нескольких часов, а для переносных радиостанций в ряде случаев предусматривается работа в течение меньших отрезков времени. Эта характеристика определяет выбор источников питания, системы охлаждения и конструкции выходных каскадов усилителей мощности;

– надежность, оцениваемая наработкой на отказ, которая должна составлять для серийно выпускаемых радиопередатчиков средней и большой мощности на втором году их эксплуатации 2...3 тыс. ч;

– устойчивость к механическим воздействиям (вибростойкость, ударо-стойкость) и независимость работы радиопередатчика от климатических условий. Эти требования вытекают из необходимости надежной работы радиопередатчика в различных, порой весьма сложных условиях эксплуатации;

– габариты, масса и т. д.

Требования к основным техническим характеристикам современных радиопередатчиков чрезвычайно высоки и обычно находятся в противоречии.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒