Контрольные вопросы
1. В чём состоит сущность процесса модуляции?
2. Перечислите основные виды модуляции.
3. Чем отличается модулированный сигнал от немодулированного?
4. Какой спектр имеет сигнал при амплитудной модуляции?
5. Как связаны между собой мощности в режиме несущей, средней и максимальной мощности при АМ?
6. Сравните различные виды АМ.
2.6. Однополосная модуляция. Однополосный сигнал.
Одной из особенностей амплитудной модуляции является неэкономное распределение мощности высокочастотных генераторов, большая часть которой, т.е. 67%, расходуется на несущие колебания, а на долю боковых составляющих, в которых заложена информация о передаваемом сообщении, составляет только 33% подводимой от источника питания мощности. Учитывая, что информация содержится в одной полосе (верхней или нижней), то было предложено передавать не весь спектр частот амплитудно - модулированного сигнала, а только одну боковую полосу – ОБП сигнал.
При передаче информации на дальние и сверхдальние расстояния, в настоящее время находят широкое применение системы связи с одной боковой полосой. При одинаковой мощности с двухполосным сигналом, при однополосной передаче, обеспечивается значительно более высокая надежность связи в системах, в которых используются АМ.
Однополосная связь является самой узкополосной. Известно, что спектр АМ колебаний (для синусоидального модулирующего колебания) имеет вид:
ia1 = Ia1m(1 + mcosΩt)cosωt = Ia1mcosωt + 
cos(ω + Ω)t + cos(ω - Ω)t
При однополосной передаче осуществляется подавление в радиопередатчике колебаний несущей частоты и одной боковой частоты, т.е. изучается только
(1) 
или
Любое из этих выражений содержит в себе информацию о передаваемом сообщении: она заключена в m или Ω. Огибающая однополосных колебаний не воспроизводит форму исходного сигнала (как при АМК). При передаче речи или музыки спектр модулированного сигнала запишется:
,
т.е. колебания, полученные в результате однополосного преобразования, могут быть отнесены к колебаниям с амплитудно – фазовой или амплитудно – частотной модуляций. Однако, полоса частот таких колебаний равна половине полосы частот модулированного сигнала.
Достоинство ОБП:
1. При передаче информации однополосным (ОБП) сигналом с той же мощностью, что и передача двухполосным АМ сигналом эквивалентно увеличению мощности передатчика примерно в 4 раза;
2. При ОБП полоса приемного устройства примерно в два раза уже по сравнению с АМ сигналом. Это улучшает соотношение сигнал / шум по напряжению в √2 раза, что эквивалентно увеличению мощности устройства в 2 раза;
3. ОБП, когда отсутствует сигнал модулирующий, т.е. в паузах речи, дает дополнительную экономию потребляемой мощности оконечными каскадами передатчика приблизительно на 25%;
4. При приеме ОБП уменьшаются искажения сигнала, вызванные селективными замираниями, которое является следствием неодинаковости условий распространения различных по частоте составляющих спектра сигнала. Исследования показали, что это эквивалентно дополнительному выигрышу в мощности передатчика почти в 2 раза.
Таким образом. переход на ОБП по сравнению с передачей информации двухполосным АМ сигналом дает эквивалентный выигрыш в мощности в 15-20 раз в зависимости от условий распространения радиоволн.
К основным недостаткам систем с ОБП следует отнести:
В обычном радиоприёмнике частота ОБП сигнала будет воспринята как несущее колебание, смещённое по оси частот и, следовательно, выделить переданное сообщение не представляется возможным.
Необходимо обеспечить высокую стабильность несущей частоты передатчика и частоты гетеродина приемника ОБП сигнала. Для высококачественного приема музыкальной программы частота несущего колебания передатчика и частота гетеродина приёмника, не должны отличаться более чем на 1 – 2Гц, а для телеграфного сообщения более чем на 100-200Гц. Если обеспечить такую стабильность частоты не удается, то вместе с ОБП сигналом передается остаток подавленной несущей, так называемый пилот – сигнал. Пилот сигнал используется для автоподстройки частоты гетеродина.
Передающая и приемная аппаратура при ОБП усложнены из-за необходимости формировании ОБП сигнала и его обработки.
2.7. Усиление ОБП сигнала в двухканальном усилителе (схема Кана)
Получение малого уровня нелинейных искажений в ВЧ усилителях мощности является сложной технической задачей, связанной к тому же со снижением КПД радиопередатчика. В схеме двухканального усилителя удается разрешить данную проблему путем раздельного усиления двух сигналов, один из которых содержит информацию о фазовой модуляции, другой - о амплитудной.
Канал 1
| ОБП сигнал \ |
и амплитудной
В канале 1 усиливается ВЧ сигнал с постоянной амплитудой, содержащий информацию о фазовой модуляции. Постоянство амплитуды сигнала обеспечивается в канале с помощью включенного на его входе амплитудного ограничителя. В канале 2 амплитудным детектором выделяется амплитуда, огибающая высокочастотное колебание. Поэтому усиливается только амплитуда огибающей т.е. низкочастотный сигнал, содержащий информацию об амплитудной модуляции. После усиления до требуемой величины мощности сигналы с выходов обоих каналов перемножаются, вновь образуя сигнал ОБП.
2.8. Методы формирования однополосного сигнала.
Для формирования однополосного сигнала в настоящее время имеется много различных методов. Мы рассмотрим два из них:
1. Фильтровой;
2. Фазокомпенсационный.
2.8.1. Фильтровой метод.
При высокой несущей частоте в ряде случаев возникают определенные трудности выделения только одной боковой полосы.
Действительно, если, например, нижняя граница спектра передаваемого звукового сигнала равна 200Гц, то нижняя и верхняя боковые полосы будут удалены друг от друга на 400 Гц.
При несущей частоте, например, 10мГц, это составит 0,004%.
Разделение столь близко расположенных полос с помощью, даже, весьма совершенных, кварцевых фильтров в этом диапазоне частот чрезвычайно сложно. Чтобы обойти эту трудность, обычно используют промежуточное преобразование частоты за счёт применения дополнительного генератора, частота которого отличается от модулирующей не более, чем на долю процента. В этом случае блок – схема формирования однополосного сигнала фильтровым методом имеет вид:
|
Для того, чтобы пояснить принцип работы схемы при фильтровом методе формирования ОБП сигнала рассмотрим схему простейшего балансного модулятора. Схема балансного модулятора имеет вид, приведённый ниже:
| Сб – шунтирует обмотки по несущей частоте ωН. Предположим, что нелинейные элементы Д1 и Д2 имеют одинаковые характеристики ia = a0 + a1U + a2U2 + … , (2.1) где U – действующее на элементах напряжение. |
Как видно из рисунка напряжение несущей частоты на оба диода подается в фазе UH = UH sinωHt, а модулирующее напряжение UΩ sinΩt – в противофазе.
В случае, когда модулирующий сигнал имеет синусоидальный характер, для напряжений на первом и втором диодах имеют следующие значения:
(2.2)
Подставим U1 и U2 из (2.2) в выражение для тока ia (2.1). Ограничиваясь тремя первыми членами и учитывая, что диоды включены навстречу друг другу, получим для тока, протекающего через контур, следующее выражение: ik = ia1 – ia2 = 2a1UΩ sinΩt + 2UHUΩ sinΩt•sinωHt = 2a1UΩ sinΩt +UHUΩ[cos(ωH – Ω)t – cos(ωH + Ω)t]
Так как выходной контур настроен на высокую частоту, то из последнего выражения видно, что на выходной обмотке Lсв., симметрично связанной с катушкой контура L будет выделяться только верхняя и нижняя боковые частоты. ωH + Ω и ωН – Ω. Т.е, балансный модулятор, в идеальном случае, позволяет на его выходе получить только боковые частоты, без несущей частоты.
Зная работу балансного модулятора, объясним метод формирования однополосного сигнала фильтровым методом.
Основной идеей метода повторной балансной модуляции является искусственное смещение боковых частот с помощью первого генератора на промежуточной частоте.
Согласно блок – схеме на один вход первого балансного модулятора подаётся напряжение звуковой частоты Ω на второй вход - колебания повышенной промежуточной частоты ωпр.
ωпр выбирается так, что отношение Ω/ ωпр измеряется процентами. При таком отношении Ω/ ωпр фильтрация нерабочей боковой полосы может быть достигнута с помощью полосового фильтра. Таким образом, первый фильтр вырезает одну боковую полосу, в которой
| колебания промежуточной частоты подавляются в балансном модуляторе. Пусть первый фильтр выделяет верхнюю боковую полосу U = Uпр + UΩcos(ω + Ω)t . |
Затем колебания на частоте (ωпр + Ω) поступают на один вход второго балансного модулятора, а на второй вход сигнал несущей частоты. В качестве несущей частоты выбираем ωпр/ω0 ≥ 0,1 – 0,2 , т.е. ≥ 10 – 20%
На второй фильтр будут подаваться уже боковые полосы с частотами [ω0 – (ωпр + Ω)] и [ω0 + (ωпр + Ω)]. Отсюда видно, что боковые полосы по частоте после второго балансного модулятора разнесены сильно, поэтому выделение нужной боковой полосы не представляет труда.
2.8.2. Фазокомпенсационный метод.
Формирование однополюсного сигнала с помощью фазокомпенсационного метода поясняется блок – схемой.
|
Метод основан на фазовой компенсации колебаний нежелательной боковой полосы и несущей частоты. Входной сигнал UΩ(t) поступает на фазосдвигающую схему, которая позволяет получить для каждой из гармонических составляющих входного сигнала две равные по величине составляющие, сдвинутые по фазе на 900. Эти два напряжения подаются на один вход двух балансных модуляторов. На другой вход одного балансного модуляторов подаются синусоидальные колебания несущей частоты, сдвинутые по фазе на 900 , на другой вход второго балансного модулятора подаются синусоидальные колебания несущей частоты в фазе. На выходе одного балансного модулятора получаем сигнал в виде произведения синусов
U1 = Us UΩ sin Ω t*sin ω t = ½ Us UΩ [ cos (ω +Ω) t – cos (ω - Ω) t].
На выходе другого балансного модулятора получаем сигнал в виде произведения косинусов
U2 = Us UΩ cosΩ t*cos ω t = ½ Us UΩ [ cos (ω +Ω) t + cos (ω - Ω) t].
После суммирования в сумматоре получим:
Uвых U1 +U2 = Us UΩ cos (ω +Ω) t.
Таким образом, сформирован однополосный сигнал на верхней боковой частоте.
Контрольные вопросы:
1.Какие методы формирования однополосного сигнала и в чём их различие?
2.Преимущество передачи информации ОБП сигналом?
3.Принцип действия балансного модулятора?
4.Почему необходим сдвиг по фаз на 900 входных сигналов?