ЛикБез > Радиосвязь

Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом амплитудной модуляции произвёл в 1906 году американский инженер Р. Фессенден. Несущая частота 50 кГц радиопередатчика вырабатывалась машинным генератором (альтернатором), для её модуляции между генератором и антенной включался угольный микрофон, изменяющий затухание сигнала в цепи. С 1920 года вместо альтернаторов стали использоваться генераторы на электронных лампах. Во второй половине 1930-х годов, по мере освоения ультракоротких волн, амплитудная модуляция постепенно начала вытесняться из радиовещания и радиосвязи на УКВ частотной модуляцией. С середины XX века в служебной и любительской радиосвязи на всех частотах внедряется модуляция с одной боковой полосой (ОБП), которая имеет ряд важных преимуществ перед АМ.

Поднимался вопрос о переводе на ОБП и радиовещания, однако это потребовало бы замены всех радиовещательных приёмников на более сложные и дорогие, поэтому не было осуществлено. В конце XX века начался переход к цифровому радиовещанию с использованием сигналов с амплитудной манипуляциейМодуляция (от латинского modulation-мерность, размеренность) изменение во времени по заданному закону параметров, характеризующих какой либо стационарный физический процесс. Изменяемый в процессе модуляции параметр колебаний (амплитуда, частота, фаза) определяет название модуляции. Соответственно амплитудная, частотная, фазовая. Возможна и смешанная модуляция, например амплитудно-фазовая. Модулированный сигнал представляет собой результат наложения колебаний модулирующего сигнала на колебания несущей частоты.

Во многих случаях модулирующий сигнал имеет форму импульса, а результирующий пачки импульсов высокой частоты. В многоканальных системах связи в качестве переносчика информации используют последовательность радиоимпульсов. Такая последовательность определяется четырьмя параметрами амплитудой, частотой, длительностью (шириной) и фазой. Соответственно возможны несколько вариантов импульсной модуляции. А именно: амплитудно-импульсная, фазово-импульсная, частотно-импульсная, широтно-импульсная, кодово-импульсная модуляции. Импульсные виды модуляции отличаются повышенной помехоустойчивостью по сравнению с модуляцией непрерывного гармонического сигнала.

По дальности действия АМ модуляция проигрывает ЧМ, как видно из рисунка амплитуда сигнала в некоторые моменты времени при АМ меньше чем при ЧМ, отсюда и меньшая дальность действия. Для передачи несущей частоты обычного радиосигнала с АМ используется часть мощности передающей аппаратуры (около 50 %). Выходом позволяющим повысить дальность связи на АМ является переход на модуляцию с одной боковой полосой который дает возможность использовать всю мощность передающей аппаратуры для передачи только полезного сигнала. Существуют и другие виды модуляций, но они менее распространены или имеют прикладное значение.

Модуляция сигнала - процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.
Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью электромагнитного излучения. Обычно, модификации подвергается синусоидальный сигнал (несущая). Различают:
- амплитудную модуляцию;
- частотную модуляция;

Модуляция - это процесс, при котором высокочастотная волна используется для переноса низкочастотной волны.

Амплитудная модуляция
В системах с амплитудной модуляцией (АМ) модулирующая волна изменяет амплитуду высокочастотной несущей волны. Анализ частот на выходе показывает присутствие не только входных частот Fc и Fm, но также их сумму и разность: Fc + Fm и Fc - Fm. Если модулирующая волна является комплексной, как например сигнал речи, который состоит из множества частот, то суммы и разности различных частот займут две полосы, одна ниже, другая выше несущей частоты. Их называют верхней и нижней боковыми. Верхняя полоса является копией изначального разговорного сигнала, только сдвинутого на частоту Fc. Нижняя полоса это инвертированная копия изначального сигнала, т.е. верхние частоты в оригинале являются нижними частотами в нижней боковой. Нижняя боковая это зеркальное отображение верхней боковой по отношению к частоте несущей Fc. Система с АМ, которая передает обе боковых и несущую, известна, как двухполосная система (DSB - double sidebaud). Несущая не несет никакой полезной информации и может быть убрана, но с несущей или без, полоса сигнала DSB вдвое больше полосы изначального сигнала. Для сужения полосы возможно вытеснение не только несущей, но и одной из боковых, так как они несут одну информацию. Этот вид работы известен, как однополосная модуляция с подавленной несущей (SSB-SC - Single SideBand Suppressed Carrier).
Демодуляция сигнала АМ достигается путем смешивания модулированного сигнала с несущей той же самой частоты, что и на модуляторе. Изначальный сигнал затем получают, как отдельную частоту (или полосу частот) и его можно отфильтровать от других сигналов. При использовании SSB-SC несущая для демодуляции генерируется на месте и она может не совпадать каким либо образом с частотой несущей на модуляторе. Небольшая разница между двумя частотами является причиной несовпадения частот, что присуще телефонным цепям.

Амплитудная модуляция с использованием цифровых сигналов
Специальным случаем амплитудной модуляции является случай, когда нижний из двух уровней амплитуд доведен до нуля, тогда процесс модуляции состоит во включении и выключении несущей. Однако скачки в передаваемой энергии делают эту технику, не подходящей для передачи данных по сетям связи.

Виды модуляции: FМ, АМ, SSB
Что разрешено, как вид модуляции влияет на дальность связи.
Особенности работы с SSB.
В России в Си-Би диапазоне разрешается использовать частотную (FM), амплитудную (АМ) и однополосную (SSB) модуляцию. Какую модуляцию лучше выбирать для связи?

Прежде всего, ваша модуляция должна совпадать с модуляцией вашего корреспондента. Подавляющее большинство российских пользователей Си-Би диапазона используют FМ. Она обеспечивает наиболее качественное звучание, если сигнал корреспондента достаточно силен. Использование FM позволяет подавить большинство видов помех, которые носят амплитудный характер. Недостатком FМ является высокий уровень шумов детектора при отсутствии сигнала, что требует точной установки порога подавителя шумов.

АМ используется для связи на средних и больших расстояниях, когда сигнал корреспондента слишком слаб для реализации преимуществ FM. Максимальная дальность связи при использовании АМ и FM практически одинакова.

Радиосвязь с использованием одной боковой полосы имеет настолько большие преимущества перед АМ и FM, что в профессиональной и любительской радиосвязи она полностью вытеснила их. В радиолюбительских диапазонах SSB появилась в пятидесятых годах. В 195б г. в мире было всего несколько десятков любительских SSB радиостанций, в 19б1 г. их число уже превышало 20 тысяч. Первым советским коротковолновиком, заработавшим на SSB, был Георгий Румянцев (UA1DZ), много сделал для популяризации работы на SSB один из старейших российских радиолюбителей Л. Лабутин (UA3CR), начавший работать на SSB в 1958 г.

В Си-Би диапазон SSB модуляция пришла значительно позже: за рубежом - в 90-х годах, в России – только в самые последние годы.

Главной причиной малого использования SSB в Си-Би диапазоне является более высокая цена SSB трансиверов, превышающая цены AM/FM станций в 3-5 раз, второй причиной – особенности работы на SSB, требующие более высокой квалификации оператора.

При приеме станции с SSB модуляцией вам необходимо ручкой точной подстройки частоты добиться наилучшей разборчивости и натуральности голоса корреспондента. Именно это препятствовало широкому применению SSB в автомобильных радиостанциях, на ручную подстройку которых водитель не должен отвлекаться при вождении. Однако в последнее время на рынке появились вполне приличные SSB автомобильные станции, но цене только в 1,5-2 раза дороже АМ, FМ станций, обладающие стабильностью частоты, вполне достаточной для работы на SSB при движении автомобиля.

Необходимо иметь в виду, что даже при точной настройке звучание голоса корреспондента при работе на SSB все равно остается ненатуральным, со специфическим "синтезированным" тембром, что впрочем никак не мешает приему информации.

Главным преимуществом SSB по сравнению с АМ и FM является выигрыш в мощности полезного излучаемого сигнала, составляющий 9 дБ, или в 8 раз. Согласно правилам, принятым в России, мощность несущей Си-Би радиостанции при АМ и FM видах модуляции и пиковая мощность при SSB модуляции не должны превышать 10 Вт. Откуда же берется выигрыш?

При SSB модуляции несущая и одна из боковых полос не излучается, что позволяет всю разрешенную мощность излучать в виде одной боковой полосы. Мощность, несущая полезную речевую информацию, при АМ и FM составляет в лучшем случае 1,25 Вт, а при SSB – все 10 Вт. Таким образом, при приеме SSB сигнала передатчика с пиковой мощностью 10 Вт слышимость будет такой же, как при приеме АМ передатчика с мощностью 80 Вт!

Однако преимущества SSB не ограничиваются только этим. АМ и FM станции излучают мощность несущей постоянно, независимо от того, произносите ли вы перед микрофоном звуки или молчите. SSB станции не излучают никакой мощности в паузах между словами. Кроме экономии энергии и облегчения режима выходного каскада передатчика это дает дополнительные преимущества при работе в перегруженном станциями канале. При использовании АМ или FM модуляций включение более мошной станции полностью "давит" более слабую, делая прием невозможным, при использовании SSB в паузах между словами мощной станции слабая станция продолжает прослушиваться. Удается не только следить за станцией, но и улавливать смысл сообщения. Практически в таких случаях удается договориться о переходе на другую частоту. Если уровень сигналов мешающих станций не сильно превышает уровень принимаемой, а частоты всех станций точно совпадают, вы будете понимать большую часть информации желаемой станции, подобно тому, как вы понимаете собеседника при разговоре в окружении говорящих людей. На практике же всегда частоты мешающих станций отличаются от принимаемой, поэтому вследствие нарушения соотношений между частотными составляющими спектра речь корреспондентов мешающих станций становится неразборчивой и все внимание гораздо легче сосредоточить на разборчивой речи вашего корреспондента. Это справедливо, конечно, только в случае помех от других SSB станций. Если мешающая станция работает с амплитудной или частотной модуляцией, SSB преимуществ не дает.

Именно по этой причине пользователи Си-Би диапазоном, в котором нет разграничения частот для работы с разными видами модуляции, договариваются между собой, в каких каналах можно использовать только SSB. Так пользователи Си-Би в странах Европы договорились о преимущественном использовании диапазона D для работы с SSB, оставив диапазон С для АМ и FM.

Все перечисленные преимущества SSB модуляции позволяют при прочих равных условиях получить дальность связи на 50-75% больше, чем при AM или FM.

Цифровая модуляция

Цифровая модуляция — процесс преобразования цифровых символов в сигн а лы, совместимые с характеристиками канала связи. Каждому возможному значению передаваемого символа ставятся в соответствие некоторые параме т ры аналогового несущего колебания.

Манипуляция - способ цифровой или импульсной модуляции, когда пар а ме т ры несущего колебания меняются скачкообразно.

При цифровой модуляции используют чаще всего дискретные последов а тельности двоичных символов — двоичных кодов. Закодированный первичный аналоговый сигнал e(t), представляющий собой последовательность кодовых символов {е n } = е n (k ) (n = О, 1, 2, 3, ... — порядковый номер символа; — номер позиции кода; m — основание кода, т. е. число различных его элеме н тов, которые преобразуются в последовательность элементов (посылок) сигнала { U n (t)} путем воздействия кодовых символов на высокочастотное несущее к о лебание U Н (t). Как правило, используют двоичные коды т.е. m =2. Обычно п о средством модуляции частота или фаза несущего в радиоимпульсе изменяется по закону, определяемому цифр о вым кодом.

Наиболее известны следующие виды цифровой модуляции:

1. Невозвращающийся в нуль код - NRZ (Non Return to Zero). Является простейшим линейным кодом, широко применяемым на практике. Сущ е ствуют две разновидности этого кода — униполярный и биполярный NRZ-коды. В униполярном NRZ-коде логической единице соответствует прямоугольный импульс положительной полярности, а логическому нулю — нулевое напряж е ние (пауза). В биполярном NRZ-коде логической единице соответствует пр я моугольный импульс положительной полярности, а логическому нулю — пр я моугольный импульс отрицательной полярности. Положительное или отриц а тельное напряжение на выходе кодера сохраняется неизменным в течение дл и тельности символа, что и определяет термин «нево з вращающийся в нуль» код. Длительность импульсов и пауз в NRZ-кодах равна длительности одного си м вола (бита) информации (рис. 1, а, б).
2. Амплитудная манипуляция (АМн; иначе ИКМ-АМ , или цифровая а м плитудная модуляция — ЦАМ; amplitude shift keying — ASK). Битовому си м волу «1» при ИКМ-АМ (рис. 2, в) соответствует передача несущего колеб а ния в течение времени τ И (длительность посылки), символу «0» — отсутствие кол е бания (пауза) на таком же временном интервале.
3. Частотная манипуляция (ЧМн; иначе ИКМ-ЧМ , или цифровая часто т ная модуляция — ЦЧМ; frequency shift keying — FSK). При ИКМ-ЧМ (рис. 1, г) передача несущего с частотой f 0 соответствует символу «1», а передача колеб а ния с частотой f 1 — символу «0».
4. Фазовая манипуляция (ФМн; иначе ИКМ-ФМ , или цифровая фаз о вая модуляция — ЦФМ; phase shift keying — PSK ). При двоичной ИКМ-ФМ (рис. 1, д) фаза несущей меняется на 180° при каждом переходе символов от «1» к «0» и от «0» к «1». Долгое время не находила практического применения из-за сложности восстановления в приемнике опорного («несущего») колебания, строго синфазного с несущей частотой принимаемого сигнала.
5. Относительная фазовая (дифференциальная; фазоразностная) манип у ляция (ОФМ ; differential phase shift keying — DPSK ), часто называемой мног о позиционной амплитудно-фазовой манипуляцией (рис. 1, е). На практике ци ф ровую фазовую манипуляцию применяют при небольшом числе возможных значений начальной фазы — как правило, 2, 4 или 8. Так как на практ и ке при приеме сигнала сложно определить абсолютное значение начальной ф а зы, то проще определять относительный фазовый сдвиг между двумя соседними си м волами. Поэтому обычно используется ОФМ при которой в зависимости от значения информационного элемента изменяется только фаза сигнала при неизменной амплитуде и частоте, при этом фазу канального сигнала отсчит ы вают не от некоторого эталона, а от фазы предыдущего элемента. На рис 1. видно, что изменение фазы несущего сигнала на 180 0 происходит при каждом «приходе» логической «1» - символ «О» передается отрезком синусоиды с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ «1» — таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предш е ствующего элемента на 180°. При ОФМ передача сообщения начинается с п о сылки одного не несущего передаваемой информации элемента, который сл у жит лишь опорным (эталонным) сигналом для сравнения фазы последующ е го элемента. Каждому информационному биту ставится в соответствие не абс о лютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего знач е ния.
6. В цифровом телевидении для передачи по спутниковым трактам и в наземном телевещании при тяжелых условиях приема используется двукратная, или четырехфазная ОФМ (ОФМ-4 ; другое название — квадратурная относ и тельная фазовая модуляция — КОФМ ; англ. — Quadrature phase shift keying — QPSK). Модуляция ОФМ-4 (QPSK) обеспечивает необходимый компромисс между скоростью передачи информации и помехоустойчивостью системы и применяется как самостоятельно, так и в комбинациях с другими методами. Этот вид модуляции основан на передаче четырех сигналов, каждый из кот о рых несет информацию о двух битах (дибите) исходной двоичной последов а тельности. Обычно используется два набора фаз: в зависимости от значения дибита (00, 01,10 или 11) фаза сигнала может изменит ь ся на О, 90, 180, 270 или 45, 135, 225, 315° соответственно. При этом, если число кодируемых бит более трех (8 позиций поворота фазы), резко сниж а ется помехоустойчивость ОФМ. Потому для высокоскоростной передачи данных ОФМ использовать не рек о мендуется.

Рис. 1. Формы сигналов при различных видах цифровой модуляции двои ч ным кодом: а — униполярный код; б — биполярный код; в — ИКМ-АМ;

г — ИКМ-ЧМ; д — ИКМ-ФМ; е — ОФМ

Многопозиционные сигналы. Эффективность систем передачи цифровых с о общений можно существенно повысить путем использования многопозицио н ных (многоуровневых) сигналов, которые можно применять при большой мо щ ности сигнала без риска увеличить вероятность ошибки при определении зн а чения принимаемого сигнала. Увеличение числа позиций, или уровней, позв о ляет увеличить удельную скорость модуляции, но лишь за счет увеличения мощности излучаемого колебания. То же самое можно сказать и о выборе ко р ректирующих кодов. Выбор сигналов и кодов в этих случаях является опред е ляющим для построения высокоэффективных кодемов (согласованных между собой кодеков и модемов).

Рис.2. Формирование четырехпозиционного сигнала:

а — передаваемый первичный сигнал; б — четырехпозиционный сигнал

Формирование четырехпозиционного сигнала показано на рис. 2. Пары с о седних значений двоичных данных (длительность каждого символа τ и ) перед а ваемого первичного сигнала u 1 (t) (рис. 2, а) определяют один из четырех уро в ней, который занимает сигнал u 2 (t ) (рис. 2, б). Пара двоичных символов 00 с о ответствует уровню (амплитуде) 0 , пара 01 — уровню 1 , пара 10 — уро в ню

2 и пара 11 — уровню 3 . Сигнал u 2 (t ) меняется в 2 раза реже, чем исходный u 1 (t), для его передачи требуется в 2 раза меньшая полоса частот, следовател ь но, использование четырехпозиционного сигнала позволяет увеличить удел ь ную скорость передачи в 2 раза. Но надо помнить, что применение многопоз и цио н ных сигналов связано со значительным увеличением их мощности.

Виды модуляции

Модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемого сообщения. Модуляцию можно также рассматривать как процесс наложения одного колебания на другое. Передаваемый сигнал называют модулирующим, управляемый высокочастотный - модулируемым. Частота модулирующего сигнала должна быть на один и более порядков ниже модулируемого.

Классифицировать методы модуляции можно по трем признакам в зависимости:

– от управляемого параметра высокочастотного сигнала: амплитудная (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ);

– числа ступеней модуляции: одно-, двух-, трехступенчатая;

– вида передаваемого сообщения – (аналогового, цифрового или импульсного) - непрерывная, со скачкообразным изменением управляемого параметра (такую модуляцию называют манипуляцией) и импульсная.

Описание модулированных сигналов возможно в рамках временного и спектрального методов. Для неискаженного приема модулированного сигнала полоса пропускания всех высокочастотных трактов радиопередатчика и радиоприемника должна быть равна или больше ширины спектра излучаемого сигнала. С другой стороны, спектр модулированного сигнала не должен выходить за выделенную данному каналу допустимую полосу излучения (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Допустимая полоса излучения спектра модулированного сигнала

Излучения, лежащие за пределами выделенной полосой излучения, называются внеполосными. Их уровень не должен превышать определенной, строго нормируемой величины. В противном случае данный канал связи будет создавать помехи другим каналам.

Ширина спектра модулированного высокочастотного сигнала Df c п зависит как от спектра передаваемого сообщения, так и от вида модуляции. Параметром, характеризующим модулированный сигнал, позволяющим сравнивать различные виды модуляции, является база сигнала:

В=TDf c п, (19.1)

где Т - длительность элемента сигнала.

При передаче аналоговых сообщений верхняя частота его спектра F связана с параметром Т, трактуемым как время интервала отсчета, соотношением Т=l/(2F) и поэтому (19.1) принимает вид:

В=Df c п /(2F). (19.2)

При передаче цифровой информации двоичным кодом, состоящим из логических 1 и 0, со скоростью V, равной количеству передаваемых элементарных посылок (бит) в секунду (бит/с = бод), величина Т трактуется как длительность элементарной посылки Т=1/V, и поэтому:

В=Df c п /V. (19.3)

При В=1 высокочастотный модулированный сигнал называется узкополосным, при В>3…4 - широкополосным. В соответствии с этим определением в зависимости от используемого вида сигнала радиотехническая система в целом называется узко- или широкополосной.

При амплитудной модуляции сигнал всегда является узкополосным; при частотной (в зависимости от характеризующего ее параметра девиации частоты) - узко- или широкополосным. Вид модуляции и значение параметра В оказывают существенное влияние на помехоустойчивость радиотехнической системы и получение требуемого соотношения сигнал-шум в радиоприемном устройстве.

Пример модулированных сигналов одинаковой мощности, но с разной шириной спектра приведен на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Пример модулированных сигналов одинаковой мощности с разной шириной спектра

Рассмотрим, чем вызвана необходимость применения двухступенчатой, а в некоторых случаях даже трехступенчатой модуляции. Пусть при одной частоте несущих колебаний f нес требуется передавать сообщения от нескольких источников. Для возможности разделения принятых сообщений в радиоприемном устройстве поступают следующим образом. Каждое из сообщений модулирует сначала свою индивидуальную несущую, называемую в этом случае поднесущей (рис. 19.3).