книги / Основы радиоэлектроники
..pdfПри произвольных значениях спектр ЧМ радиосигнала со держит бесконечное количество
составляющих с частотами;
сок = сон + п = 0; +1; +2; +3...
Однако не все составляющие имеют одинаковые амплитуды. Полоса частот, в которой рас положены спектральные состав ляющие ЧМ радиосигнала с большими амплитудами, огра ничена и достаточно строго определяется формулой:
Дсочм= 2птакП * 2тш£1 = |
|
||||
= 2 ( = ^ ) Q = 2A(o = 2A:t/n , |
|
||||
где «тах= шй, |
округленному до |
|
|||
целого числа. Анализ этой фор |
|
||||
мулы |
показывает, |
что полоса |
|
||
частот равна удвоенной девита- |
|
||||
ции частоты. |
С уменьшением |
|
|||
частоты модуляции |
Q индекс |
|
|||
частотной модуляции /ив = Асо/О, |
|
||||
возрастает, расстояние по часто |
Рис. 1.17а — з |
||||
те между составляющими спект |
|
||||
ра уменьшается, а число этих со |
|
||||
ставляющих увеличивается в не |
Ut |
||||
изменной полосе частот ЧМ ра |
U0 |
||||
диосигнала. Эта полоса частот |
ти/о |
||||
определяется амплитудой управ |
|||||
Т 2 |
|||||
ляющего сигнала t/n и не зави |
CJ0-S2 |
||||
muUn^ |
|||||
сит от частоты модулирующего |
|||||
сигнала £2 в отличие от ампли |
|
||||
тудной |
модуляции, |
где полоса |
Рис. 1.18 |
||
частот |
AM радиосигнала опре |
|
деляется частотой управляющего сигнала (Асоам = 2£2) и не зави сит от амплитуды этого сигнала. Еще более усложняется спектр при частотной модуляции не одной гармоникой управляющего сигнала uc(t)= t/n cos£2/, а управляющим сигналом со сложным спектром (см. формулу (1.1)). В этом случае полоса частот ЧМ радиосигнала определяется формулой:
Асочм 2/imaxQmax 2 т ю£2тах.
При передаче звука в телевидении и ЧМ радиовещании использу
ется |
10. При /та* = —^ = 4 ,5 кГц получаем, что полоса частот |
ЧМ |
радиосигнала равна А /чм = ^ ^ « 2 т (1)утах= 90 кГц, что |
|
2п |
в 10 раз больше полосы частот, занимаемой AM радиосигналом. Достоинством ЧМ радиосигналов является возможность уменьшить влияние помех на работу радиоприемника или теле визора. Помехи приводят к паразитной амплитудной модуляции ЧМ радиосигнала и эту паразитную модуляцию можно «убрать», пропустив принятый искаженный сигнал через ограничитель (рис. 1.19). Используя спектральные представления, можно ска зать, что при наличии большого числа спектральных составля ющих ЧМ радиосигнала спектр помехи слабее сказывается на
характеристиках общего спектра радиосигнала и помехи. Недостатком частотной модуляции является необходимость
широкой полосы частот для ее реализации, что ограничивает число станций с ЧМ, работающих в заданном диапазоне частот.
Остановимся кратко на фазовой модуляции. При этом виде модуляции амплитуда £/м колебания остается неизменной, а функцией времени является начальная фаза ф„ в выражении текущей фазы
<p(f) = coHf+<p0(f)>
которая определяется управляющим сигналом
(Ро(/)=А:2пс(/)+фо.
В простейшем случае мс(/)= Ua cosQt
Фо (/) = to„t -I-mvcos fi t + фo,
где m4>= k2 Ua — индекс фазовой модуляции, зависящий только
от амплитуды Ua. В общем случае т ф» |
1 спектр ФМ радиосиг |
нала ифм(/)= Uucos(сонН-/мфcosП/+фо) |
содержит бесконечное |
количество составляющих с частотами со = со„±лП, где л = 0; + 1; + 2 и т. д. При использовании ФМ-радиосигналов также уда-
32
ется ослабить действие помех с помощью ограничителя в прием нике. В этом достоинство ФМ. Недостатком ее, как и ЧМ, является большая полоса частот, занимаемая ФМ радиосигна лом, из-за чего в заданном диапазоне частот можно использовать весьма ограниченное количество радиостанций.
Фазовая модуляция широко применяется в системах телеуп равления.
При фазовой модуляции, как и при частотной, меняется теку щая фаза (р (/) колебаний при неизменной амплитуде UM. Поэто му иногда эти виды модуляции рассматривают как частные случаи частотно-фазовой (ЧФМ) или фазо-частотной (ФЧМ) мо дуляции или угловой модуляции.
§ 1.4. Импульсная модуляция сигналов. Цифровая обработка сигналов
Кроме амплитудной, частотной и фазовой модуляции в со временных радиосистемах используется импульсная модуляция (ИМ) сигналов.
Как отмечалось в § 1.1, основным типом управляющего сиг нала, содержащего первичную информацию, является непрерыв ный сигнал 5(0, называемый также аналоговым или континуаль ным (рис. 1.20а). Примером непрерывного сигнала является сиг нал на выходе микрофона при воздействии акустических колебаний.
Вместо непрерывного сигнала часто удобно передавать дис кретные сигналы 5Д(0, представляющие набор коротких импуль сов, разделенных интервалами At (рис. 1.206). Параметр дискре тизации At— промежуток, через который передаются точные для данного момента времени t значения аналогового сигнала S (/). выбирается согласно теореме В. А. Котельникова в соответствии
l
2/пй Кроме дискретных (по времени) сигналов, применяются
и дискретные по уровню (квантованные по уровню) сигналы SK(t). Выбор параметра квантования Д 5=|5Г—5Г_ Х| (т. е. разнос ти интенсивностей сигнала на соседних уровнях) производится из соображений превышения AS над уровнем помех S„(AS^>S„). Наконец, используются сигналы, дискретные по времени и кван тованные по уровню; этот класс сигналов относится к классу цифровых сигналов 5Ц(/) (рис. 1.20г).
Дискретные управляющие сигналы позволяют получить им пульсные радиосигналы. Наиболее часто в радиоэлектронике применяют управляющие импульсы прямоугольной формы (рис. 1.17ж). При этом информация, заложенная в управляющем сигнале S(t) (рис. 1.21а), вкладывается в один или несколько
параметров импульса или последовательностей импульсов: в изменение амплитуды импульса А (/) = /40 + &iS'(/)— амплитудно импульсная модуляция (АИМ) (рис. 1.216), длительности им пульса т(0 = то+А:25(/)— модуляция ширины импульса (ШИМ)
(рис. 1.21в), периода следования (повторения) |
импульса |
A t(t) - A t0 + k3S (t)— частотно-импульсная (ЧИМ) |
либо фазо |
импульсная (ФИМ) модуляция (рис. 1.21г) (здесь kt (/= 1, 2, 3) — постоянные величины). Этими импульсами и осуществляется мо дуляция колебаний несущей частоты. Дискретизация по времени и квантование по уровню последовательности импульсов дают
важный тип модуляции — кодово-импульсную |
модуляцию |
(КИМ) (рис. 1.22). При КИМ за |
|
интервал At передается не один |
|
импульс (как при АИМ, ШИМ |
|
и др.), а несколько — кодовая по |
|
следовательность, |
выбранная |
в соответствии с |
определенным |
правилом— кодом. |
|
a(tl. ШИМ
O.(0l |
ЧИМ(«сим) 1 |
|
Рис. 1.21а
Рис. 1.23а— е
Кодирование определяет закон построения дискретного управ ляющего сигнала, а модуляция— вид формируемого радиосиг нала, который должен передаваться по каналу связи. При кодиро вании происходит процесс преобразования элементов управля ющего сигнала в соответствующие им наборы импульсов (кодовые сигналы), каждому элементу управляющего сигнала при сваивается определенная совокупность кодовых сигналов, называ емая кодовой комбинацией или кодовой последовательностью. Совокупность кодовых комбинаций, обозначающих дискретные управляющие сигналы, называется кодом. Преобразование после довательности кодовых символов в последовательность элементов радиосигнала осуществляется в процессе модуляции, при этом один из параметров несущего колебания изменяется во времени в соответствии с передаваемым (закодированным) сообщением.
На рис. 1.23 показан переход от непрерывного аналогового сигнала (рис. 1.23а) к дискретному, квантованному по уровню сигналу (рис. 1.236). Легко видеть ошибку, вводимую квантова нием. Вместо истинного значения 7.2 в момент первого отсчета имеем значение 7 в результате квантования. Аналогичная ошиб ка вносится и в другие моменты отсчета. Далее квантованное значение сигнала представляется в виде набора импульсов, харак теризующих нули и единицы при представлении этого значения в двоичной системе исчисления (рис. 1.23в). Этот набор импуль сов используется для амплитудной модуляции несущего колеба ния и получения кодово-импульсного радиосигнала. После при ема такого сигнала на выходе приемника появляется набор им-
W |
j |
'g tp ftJ |
J |
|
V |
w |
|
||
т |
ИU L . Д |
? 1У |
A. |
|
1 ft t |
t |
r |
t |
|
1 |
|
|
|
|
Рис. 1.24
пульсов (рис. 1.23г), по которому можно восстановить дискрет ный квантованный сигнал (рис. 1,23д), а затем получить непрерыв ный сигнал (рис. 1.23е), несколько отличающийся от исходного аналогового сигнала из-за квантования по уровню. Общая схема цифровой обработки информации (рис. 1.24) содержит электрон ный ключ ЭК, превращающий аналоговый, непрерывный сигнал S (/) в дискретный сигнал Sa(t), интегрирующую цепь ИЦ, запоми нающую каждое данное значение сигнала на время t3, достаточное для срабатывания аналого-цифрового преобразователя АЦП, преобразующего сигнал в цифровую форму Su(t). В АЦП проис ходит квантование дискретного ступенчатого сигнала по уровню, а затем каждому уровню ставится в соответствие двоичное число. После модуляции последовательностью импульсов несущего ко лебания, излучения модулированных электромагнитных волн и их приема на выходе приемника получается цифровой сигнал 5ц1 ((). Он поступает в цифровой фильтр ЦФ — вычислительную машину, которая реализует алгоритм обработки сигнала. На выходе ЦФ возникают кодовые последовательности импульсов, соответст вующие обработанному (профильтрованному) сигналу. После прохождения цифроаналогового преобразователя (ЦАП) сигнал 5дф(/) приобретает ступенчатую форму: амплитуда каждой сту пеньки соответствует (пропорциональна) соответствующим зна чениям цифрового сигнала. Затем сигнал 5дф(0 сглаживается фильтром СФ и получается аналоговый сигнал S (/).
Амплитудная, частотная и фазовая модуляция несущих коле баний позволяет строить многоканальные радиоэлектронные
системы с частотным разделением (уплотнением) каналов (ЧРК), обусловленным использованием несущих колебаний с различны ми частотами. Достоинством системы с ЧРК является простота и возможность передачи весьма широкополосных сообщений, например, телевизионных.
Импульсная модуляция дает возможность строить радиоэлект ронные системы с временным разделением каналов (ВРК), обла дающие заметными преимуществами перед системами с ЧРК. К этим достоинствам относится высокая точность передачи сигна лов (лучшая помехозащищенность) и возможность передавать совместно сообщения нескольких каналов в одном частотном диапазоне, поскольку сообщению каждого канала будет соответст вовать своя последовательность импульсов, не перекрывающаяся с последовательностью импульсов сообщения другого канала.
Использование дискретных сигналов привело к цифровой об работке сигналов в устройствах цифровой техники. При этом удалось получить высокую точность радиоустройств при относи тельно невысоких требованиях к качественным показателям от дельных элементов.
При цифровой обработке оказалось возможным реализовать сложные алгоритмы обработки сигналов, которые не под силу аналоговой технике. Прежде всего это касается важнейшего раз дела современной радиоэлектроники — создания самонастраива ющихся (адаптивных) радиосистем, изменяющих обработку сиг нала при изменении его параметров. Цифровые системы облада ют существенно более высокими точностями обработки сигнала по сравнению с аналоговыми. Следует отметить, что для качест венной звукозаписи на компакт-дисках применяется именно циф ровая обработка сигналов (см. § 10.6).
К недостаткам цифровых систем следует отнести их относи тельную сложность по сравнению с аналоговыми устройствами. Другим недостатком цифровых систем обработки информации является их меньшее быстродействие, чем аналоговых систем. Это связано с необходимостью выполнять большое количество цифровых операций при обработке цифровых сигналов.
Поэтому в ряде практических случаев, когда по условиям работы не требуется высокая точность, целесообразнее использо вать традиционные аналоговые системы и элементы, подробно рассматриваемые в следующих главах.
§ 1.5. Требования к полосе канала связи. Выбор несущих частот
Как было показано выше, при различных видах модуляции радиосигнал характеризуется шириной спектра: при AM Дсоам = 2йтах, а при ЧМ Aco4M= 2w(0Qmax. Для неискаженной
|
передачи таких сигналов через |
||||||
|
канал связи |
необходимо, |
что |
||||
|
бы границы |
спектра |
радиоси |
||||
|
гнала |
лежали внутри границ |
|||||
|
полосы |
пропускания |
канала |
||||
|
связи сок1 и юк2 (рис. 1.25), т. е. |
||||||
|
полоса |
пропускания |
канала |
||||
Чг7 ис?ин~&«„fЧ»*Чи«г |
ы связи Дсок = сок2 —coKi была рав |
||||||
на или |
немного |
превосходила |
|||||
Рис. 1.25 |
|||||||
ширину спектра соответствую |
|||||||
Дсок ^ Дсоам = 2Qmax, при ЧМ |
щего радиосигнала: |
при |
AM |
||||
Дсок ^ ДсОцм = 2тшПтах. Более |
по- |
||||||
дробно согласование сигнала |
с каналом связи |
рассмотрено |
|||||
в приложении 1. |
|
|
|
|
|
|
Полоса пропускания канала связи не должна существенно превосходить ширину спектра радиосигнала, чтобы передаче ин тересующей нас информации не мешали сигналы других радио станций и другие помехи.
При использовании AM модуляции несущая частота более чем в 10 раз должна превосходить максимальную частоту Отах управляющего сигнала. Это определяется: 1) необходимо стью легкого разделения несущей и модулирующих частот при детектировании AM радиосигналов в приемнике; 2) необходимо-
стью малости относительной полосы частот А а )с занимаемой
модулированным колебанием — 1« 1 , для излучения всех спект-
® н ес
ральных составляющих этого колебания простой антенной. Что бы разместить все большее количество радиовещательных и те левизионных станций в диапазонах с заданным отношением мак симальной / тах и минимальной / mi„ несущих частот, необходимо увеличивать несущие частоты. Приведем пример. Пусть отноше ние /max//min= Ю. При / min = 30 кГц в этом диапазоне можно раз местить при Асоам/2л = 9 кГц
п _ /ша. /min _ |
^ jQ радиостанций. |
Д^ам/2^ |
А/треб |
При / min = 3 МГц можно разместить уже 3000 радиостанций. Так как в данном диапазоне частот могут быть размещены несущие частоты только конечного числа станций, не мешающих друг другу, существуют международные соглашения и Всесоюзное законодательство, определяющее распределение несущих частот между разными видами систем связи и вещания, и для выхода в эфир новой радиостанции требуется разрешение службы радио частот и радиопомех.
§ 1.6. Диапазоны радиоволн и области их применения
Бурный рост числа и видов систем связи, радиолокационных и других систем, использующих для передачи информации элек тромагнитные волны, приводит к тому, что радиосистемы «ме шают» друг другу, т. е. приводит к «тесноте» в эфире. Возникает проблема электромагнитной совместимости радиосистем. Вывод из этого противоречия между необходимостью выделения каж дой системе связи определенной полосы частот и необходимо стью создания все новых систем требует освоения все новых диапазонов электромагнитных волн — радиоволн, используемых для передачи информации. Ниже в таблице приведены использу емые в настоящее время частоты, диапазоны радиоволн и об ласти их применения.
Название
частот
Очень низкие (ОНЧ)
Низкие (НЧ)
Средние
(СЧ)
Высокие
(ВЧ)
Очень высо кие (ОВЧ)
Мгьтравысокие (УВЧ)
Сверхвысо кие (СВЧ)
Название волн |
Частоты |
Длины волн |
Примечание |
||||
Мириаметро- |
3— 30 кГц |
100— 10 км |
Служебная |
связь, |
|||
вые, |
сверх |
|
|
связь |
с |
подводны |
|
длинные |
|
|
ми лодками, радио |
||||
(СДВ) |
|
|
|
навигация, передача |
|||
|
|
|
|
метеоданных |
|
||
Километро |
30— 30 кГц |
10— 1 км |
Радиовещание в ди |
||||
вые, |
длинные |
|
|
апазоне |
|
1500— |
|
(ДВ) |
|
|
|
1600 м |
|
|
|
Гектометро- |
300 кГц— |
1 км — |
Радиовещание в ди |
||||
вые, |
средние |
3 МГц |
100 м |
апазоне |
600— 200 м |
||
(СВ) |
|
|
|
|
|
|
|
Декаметровые, |
3 М Г ц - |
100 м— |
Радиовещание в ди |
||||
короткие (КВ) |
30 МГц |
10 м |
апазоне 75— 16 м |
||||
Метровые, |
30 М Г ц - |
10 м — 1 м |
УКВ вещание, теле |
||||
ультракорот |
300 МГц |
|
видение, |
радиоло |
|||
кие (УКВ) |
|
|
кация |
|
|
|
|
Дециметровые |
300 МГц— |
1 м — 10 см |
Радиорелейная |
||||
(ДМ В) |
3 ГГц |
|
связь, |
телевидение, |
|||
|
|
|
|
радиолокация |
|
||
Сантиметро |
3 Г Г ц - |
10 см— |
СВЧтехника, радио |
||||
вые (СМ В) |
30 ГГц |
1 см |
локация, |
космиче |
|||
|
|
|
|
ская |
связь |
с по |
|
|
|
|
|
мощью |
спутников, |
||
|
|
|
|
космические |
иссле |
||
|
|
|
|
дования |
(радиоаст |
||
|
|
|
|
рономия) |
|
Название |
Название волн |
Частоты |
Длины волн |
Примечание |
||||
частот |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Крайне вы |
Миллиметро |
30 Г Г ц - |
1 см— |
Радиоспектроско |
||||
сокие (КВЧ) |
вые (МВ) |
|
300 ГГц |
1 мм |
пия |
|
|
|
Гипервысо- |
Децимилли- |
300 ГГц— |
1 мм— |
Космическая связь |
||||
кие (ГВЧ) |
метровые, |
3 ТГц |
0,1 мм |
|
|
|
||
|
субмиллимет |
|
|
|
|
|
||
|
ровые |
|
|
|
|
|
|
|
|
Длинные |
ин |
3 ТГц— |
0,1 мм— |
ИК-локация, связь |
|||
|
фракрасные |
30 ТГц |
10 мкм |
|
|
|
||
|
волны |
|
|
|
|
|
|
|
|
Короткие |
ин |
30 Г Г ц - |
10 мкм— |
ИК-локация, |
физи |
||
|
фракрасные |
300 ГГц |
1 мкм |
ческие исследования |
||||
|
волны |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ближние |
ин |
300 Г Г ц - |
1 мкм— |
Лазерная |
|
связь, |
|
|
фракрасные |
3000 ГГц |
0,1 мкм |
связь с |
помощью |
|||
|
волны, |
опти |
|
|
волоконно-оптичес |
|||
|
ческие волны, |
|
|
ких линий |
|
|
||
|
мягкий |
уль |
|
|
|
|
|
|
|
трафиолет |
|
|
|
|
|
||
|
Рентгеновское |
<3000 ГГц |
>0,1 мкм |
Разеры-квантовые |
||||
|
излучение |
|
|
генераторы |
рентге |
|||
|
|
|
|
|
новского |
излучения |
Как уже отмечалось, зная несущую частоту / н в МГц, длину волн в метрах можно найти по формуле X [м] = 300//„ [МГц].
§ 1.7. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
Особенности распространения радиоволн определяются свойствами среды: атмосферы и поверхности Земли, в первую очередь океанами и морями, а также сушей. В атмосфере под действием космических лучей, ультрафиолетового излучения и потоков частиц с Солнца происходит ионизация газов, и появ ляются заряженные частицы. С высотой ионизация постепенно возрастает, а число нейтральных частиц N падает (рис. 1.26). Возникают ионизированные слои. Основную роль играют слой Е на высоте 100н-120 км и слои Г, и F2 на высоте 250 н-400 км. Эти слои находятся в ионосфере, которая начинается с высоты 70 км. Ниже ее расположены стратосфера и тропосфера, послед-