книги / Радиопередающие устройства
..pdf-j П П П П П П П П ■
Рис. 8.11. Структурные схемы им пульсного радиопередатчика связи
При амплитудно-импульс
ной модуляции в сответствии |
|||
с |
изменением |
модулирующего |
|
сигнала изменяется |
амплиту |
||
да |
импульсов, |
как |
показано |
на |
рис. 8.10,в. |
Периодическая |
|
последовательность |
импульсов |
||
и
Рис. 8.12. Графики колебаний при амп литудно-импульсной модуляции
// |
|
при этом выполняет роль не |
|||||||
\ |
\ \ |
сущего |
колебания. |
|
|
|
|||
|
Структурная схема импуль |
||||||||
|
s\ |
сного |
радиопередатчика |
связи |
|||||
|
ViTrvi |
приведена на рис. 8.11. Им |
|||||||
|
пульсный |
генератор |
ИГ |
|
соз |
||||
U |
|
дает |
первичную |
последова |
|||||
|
тельность |
импульсов |
(рис. |
||||||
|
|
8.12), |
которые |
подаются |
на |
||||
|
|
импульсный модулятор |
|
ИМ. |
|||||
|
|
Сюда же подается и модули |
|||||||
|
|
рующий |
сигнал |
(рис. 8.12,6) |
|||||
|
|
от |
источника |
сигнала |
|
ИС. |
|||
|
|
В импульсном модуляторе про |
|||||||
|
|
изводится |
модуляция |
импуль |
|||||
|
* ) |
сов |
по |
закону изменения |
ам- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б)
Рис. 8.13. Спектр сигнала при амплитудно-импульсной модуляции
28i
плитуды модулирующего сигнала. Затем изменяющиеся по ампли туде видеоимпульсы (рис. 8.12,в) подаются на модулятор М, где модулируют радиочастотные колебания, поступающие от задаю щего генератора. Промодулированные радиоимпульсы (рис. 8.12,г) передаются в антенну для излучения.
Спектр сигнала при АИМ образуется следующим образом. Пе риодическую последовательность импульсов можно представить в виде линейчатого спектра, как показано на рис. 8.13,о. Форма его зависит от длительности импульсов т и частоты повторения F. При модуляции видеоимпульсов низкочастотным сигналом около каждой спектральной линии появляются еще боковые справа и слева, как показано на рис. 8.13,6. После вторичной амплитудной модуляции радиочастотным колебанием на выходе модулятора М получаются радиоимпульсы, спектр которых показан на рис. 8.13,в. Ширина спектра излучаемых колебаний зависит от длительности импульсов т, частоты их следования F. С уменьшением длитель ности импульсов т спектр излучаемого колебания расширяется.
В многоканальных системах связи при временном разделении каналов импульсы одного канала передаются в паузах между им пульсами других каналов. Следовательно, для того чтобы размес тить больше каналов в одной системе, нужно уменьшить длитель ность импульсов, но это ведет к необходимости расширения полосы пропускания. А это усложняет аппаратуру. На практике исполь зуют импульсы длительностью т = 0 ,1 ... 2 мкс. Полоса излучаемых частот при этом составляет 1 ...20 МГц.
Период повторения импульсов для увеличения числа каналов желательно выбрать побольше. Но при этом качество передавае мого сигнала ухудшается. Для передачи телефонных сигналов (300 ...3400 Гц) необходимо за один период сигнала передавать не меньше 3... 10 импульсов. Отсюда допустимый период следова ния импульсов для телефонной передачи Т = (3... 10) • 10-5 с.
Применяется АИМ редко из-за низкой помехоустойчивости. При широтно-импульсной модуляции по закону изменения мо
дулирующего напряжения изменяется ширина (длительность) им пульсов. Возможны два вида широтно-импульсной модуляции (ШИМ): односторонняя и двухсторонняя. При односторонней сме щается один фронт импульса (фронт или срез) относительно так товых точек, при двухсторонней ширине импульса изменяется в обе стороны симметрично относительно тактовых точек (рис. 8.10,г).
Помехоустойчивость ШИМ значительно выше помехоустойчи вости АИМ, так как в приемнике ШИМ сигнала применяется амп литудный ограничитель, срезающий амплитудные помехи. Но при малой длительности импульсов сильно расширяется полоса частот. А при расширении полосы пропускания приемника снижается по мехоустойчивость связи. Поэтому ШИМ применяются только для преобразования ее в ФИМ.
При фазово-импульсной модуляции (ФИМ) по закону измене ния модулирующего сигнала изменяется положение импульсов от-
212
носителыю тактовых точек (рис. 8.10,д). Поскольку длительность и амплитуда импульсов не изменяются, полоса частот при ФИМ получается не шире, чем при немодулированных радиоимпульсах. В приемнике применяется ограничитель. В связи с этими факто* рами помехоустойчивость при ФИМ получается наиболее высо кой.
При импульсно-кодовой модуляции возможные значения моду лирующего сигнала разделяются на ряд дискретных уровней, каж дый из которых передается своим кодом.
Импульсно-кодовая модуляция осуществляется в следующем порядке. Сначала производится дискретизация аналогового сигна ла во времени — амплитудно-импульсная модуляция (рис. 8.14,6). Затем осуществляется квантование (дискретизация) сигнала по амплитуде (рис. 8.14,в). После этого выполняется кодирование (рис. 8.14,г).
Квантование представляет собой разделение сигнала на опре деленные конкретные уровни. Например, на рис. 8.15 непрерывный сигнал разбит на восемь уровней параллельными прямыми. Это так называемые разрешенные уровни. При амплитудно-импульсной модуляции импульсы могли быть любой амплитуды. А при кван товании импульсы имеют только разрешенные уровни. Из рис. 8.15 видно, что амплитуды квантованных импульсов отличаются от дейст вительных. После этого каждому уровню квантования присваива ется соответствующее число, которое выражают кодовой группой, состоящей из символов двух видов: импульсов и пробелов. Ис пользование для передачи информации двоичных сигналов обес печивает наибольшую помехозащищенность, так как импульсы ко довой группы нормированы по амплитуде и длительности, а при емное устройство должно определить их наличие или отсутствие.
При частотно-импульсной модуляции изменяется частота следо вания импульсов в зависимости от амплитуды модулирующего сиг нала. Помехоустойчивость ЧИМ ниже помехоустойчивости ФИМ. Кроме того, практическое ее осуществление сложнее, чем ФИМ. Поэтому ЧИМ в системах передачи обычно не применяют.
Рис. |
8.14, Последова |
тельность осуществления |
|
ИКМ |
г) |
Рис. 8.15. Квантование сигнала
Импульсные модуляторы в ап паратуре ГА применяют в им пульсных РЛС различного назна чения. Двойную импульсную мо
дуляцию (АИМ, ШИМ, ФИМ) применяют в аппаратуре многока нальной связи ГА.
Контрольные вопросы
1.Какие сигналы называют импульсными?
2.Назовите виды импульсных сигналов.
3.Что называют спектром?
4.Назовите параметры импульсов.
5.Нарисуйте структурную схему импульсного передатчика.
6.Назовите виды импульсных модуляторов.
7.Нарисуйте схему импульсного модулятора с накопительным конденса
тором.
8.Поясните работу импульсного модулятора.
9.Нарисуйте схему импульсного модулятора с накопителем в виде ис кусственной длинной линии.
10.Поясните работу импульсного модулятора с длинной линией.
11.Назовите виды двухкратной импульсной модуляции.
12.Назовите особенности импульсной модуляции.
13.Назовите области применения импульсной модуляции.
Гл а в а 9. РАДИОТЕЛЕГРАФИЯ
9.1. ТЕЛЕГРАФНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ
Радиотелеграфией называется передача информации с помощью телеграфного кода. При радиотелеграфии переносчиком информа ции являются колебания радиочастоты, излучаемые антенной в виде электромагнитных волн.
Информацией называют совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. А форма представления ин формации называется сообщением. Так, при передаче телеграммы сообщением является текст, представляющий собой последова тельность отдельных (дискретных) символов букв и цифр. Для передачи сообщения необходимо изменять один из параметров пе реносчика информации в соответствии с передаваемым сообще нием.
Для передачи сообщения по радиотелеграфной связи необхо димо сообщение преобразовать в сигнал. Преобразованием назы вают перевод неэлектрических величин, определяющих первона чальное сообщение, в электрические.
Сигналом называют физическую величину, изменяющуюся в соответствии с передаваемым сообщением. По своей структуре со общения и соответствующие им сигналы делятся на непрерывные и дискретные. Непрерывные сигналы являются непрерывными функциями времени. Они могут в некоторых пределах принимать любые значения. Дискретным называют такой сигнал, который состоит из отдельных (дискретных) элементов. Дискретные сиг налы имеют конечное (ограниченное) число различных значений за определенный промежуток времени. Наиболее характерным при мером дискретного сообщения является передача текста, так как любой текст состоит из конечного числа знаков.
В настоящее время в технике связи широко применяют двоич ные (бинарные) сигналы (от англ, binary — двоичный).
Бинарные сигналы могут принимать одно из двух значений: нуль или единицу, отрицательное или положительное, токовое или бестоковое, соответствующее нажатию или отжатию ключа. На пример, если информационным параметром сигнала является час тота, то при передаче дискретного сообщения, имеющего два зна чения, частота сигнала принимает только два конкретных значе ния /1 и f2. Напомним, что для передачи сообщения один из пара метров сигнала необходимо изменять в соответствии с передавае мым сообщением. Изменяющийся параметр сигнала называют ин формационным. Так, при синусоидальном сигнале информацион ным параметром может быть амплитуда, частота или фаза.
При дискретной передаче сообщение преобразуется в сигнал, как правило, посредством двух операций: кодирования и манипу ляции. Кодирование — это построение сигнала по определенному закону, имеющему простое математическое выражение. При этом каждый знак передаваемого сообщения (например, букву) можно заменить числом и свести передачу знаков (символов) к передаче последовательности чисел от 1 до я, где п — сколь угодно боль шое конечное число. Для этого наиболее удобной оказывается двоичная система счисления, поскольку для передачи и приема каждого из чисел достаточно передавать и различать всего лишь две цифры — 1 и 0.
Процесс преобразования информационных знаков (символов) в соответствующие им числа называется кодированием, а совокуп ность двоичных цифр (нулей и единиц), образующих двоичное число, соответствующее какому-либо информационному символу (знаку), — кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбина ций, обозначающих дискретные сообщения, называется кодом.
В настоящее время применяют два кода: код Морзе и код Бодо. Код Морзе был предложен в 1837 г. американцем Морзе для передачи знаков с помощью посылок электрического тока различной длительности — точек и тире. Код Морзе — веравно-
мерный, неравнозначный. В нем каждому передаваемому символу соответствует определенная комбинация коротких и длинных по сылок, разделенных паузами. Длительность короткой посылки (точки) равна длительности элементарного сигнала. Она фикси рованная. Длительность длинной посылки (тире) равна длитель ности трех элементарных сигналов, длительность паузы между посылками одного слова — так же трех, а между словами — пя ти элементарных сигналов. Пример кодирования буквы А приве ден на рис. 9.1. Код Морзе не обеспечивает высокой скорости передачи. Но важным достоинством его является возможность приема на слух в условиях множества помех. Высокая помехо устойчивость кода Морзе при приеме на слух является следстви ем того, что процесс преобразования сигнала в сообщение в этом случае осуществляется человеком, который при достаточном опы те может различать сигналы, значительно пораженные помехами.
Внастоящее время код Морзе применяют лишь в низовой связи
сручной передачей и приемом на слух.
Втелеграфной связи применяют равномерный, равнозначный код Бодо. Он стандартизован Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии и назван «Международным телеграфным кодом № 2 МТК-2».
Код Бодо получил распространение с 1874 г. с введением бук вопечатающих телеграфных аппаратов Бодо. В нем для передачи любого знака используется комбинация из пяти элементарных те леграфных посылок тока одинаковой продолжительности, но раз личной полярности. Для примера в табл. 9.1 приведены комбина ции некоторых знаков (символов) пятизначным кодом. В старт-
Т а б л и ц а 9.1
|
|
|
|
|
|
t |
|
Элементы |
|
Кобобая холбинация |
|
З Т |
1?} |
Стоп |
|
Бод |
Старт |
1 |
|||||
|
|||||||
сообщения |
(сигнал) |
j _ _ _ |
1 |
» |
,___ I1___1\—L* |
||
|
|
|
7 |
|
|||
|
|
То % ?о Т0 Т0 |
|
|
б) |
7-5? |
|
А |
/0000 |
|
Рис, 9.1. Кодирование буквы «А» |
||||
|
|
|
|
|
|||
Б |
00/10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
Л |
/Л \ |
|
А |
|
В |
0/101 |
|
|
//+\V |
|||
|
|
|
/ + \ |
/ ^ \ |
|
/ + V |
|
Г |
от |
|
\ - / |
\ |
- / |
t |
|
_ Ц |
V |
'С |
\ / |
|
|||
|
|
т |
|
|
|||
Рис. 9,2. Телеграфные сигналы
стопном режиме буквопечатающего аппарата кроме основных пя ти информационных посылок в конце и в начале каждого знака передаются дополнительные посылки Старт и Стоп.
Каждое телеграфное сообщение передается с определенной ско ростью. Скорость телеграфирования измеряется числом элемен тарных посылок, передаваемых за одну секунду. За единицу ско рости телеграфирования В принят 1 Бод. соответствующий скорос ти передачи одной элементарной посылки в секунду. £ = 1 /т. При ручном способе телеграфирования с помощью телеграфного клю ча со скоростью 25 слов в минуту скорость телеграфирования сос тавляет 20 Бод. За стандартное слово принято считать слово «П а риж», на передачу которого кодом Морзе требуется 48 элементар ных посылок, а равнозначным кодом —t 42 посылки.
Скорость клавишных буквопечатающих аппаратов не превы шает 200 Бод. Применение автоматических устройств — транс миттеров — повышает скорость телеграфирования до 800 Бод.
Поскольку телеграфные сигналы представляют собой прямо угольные импульсы (рис. 9.2), то их спектр содержит бесконечное число гармоник. Первая гармоника (штриховая линия на рис. 9.2) называется основной частотой телеграфной манипуляции: iF=l/2x.
Если спектр телеграфных сигналов ограничить только одной первой гармоникой, то сигнал будет сильно искажен. Ширина спектра, необходимая для того, чтобы искажения сигналов не пре вышали допустимых значений, зависит от вида передаваемого те леграфного сигнала.
Для передачи по каналу радиотелеграфной связи закодирован ного сообщения им необходимо осуществить модуляцию колеба ний радиочастоты. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания изменяется под действием телеграф ного сигнала, различают следующие виды манипуляции: ампли тудную, частотную и фазовую.
Манипуляцией называется процесс воздействия телеграфных сигналов на колебания радиочастоты.
9.2. АМПЛИТУДНАЯ МАНИПУЛЯЦИЯ
При амплитудной манипуляции (амплитудной телеграфии) в соот ветствии с телеграфным сигналом изменяется амплитуда несущих радиочастотных колебаний (рис. 9.3). Различают амплитудную те леграфию несущими колебаниями (АТ) (рис. 9.3) и тонально-мо- дулированными (ATT) (рис. 9.8).
Амплитудная манипуляция несущими колебаниями. В соответстствии с телеграфным сигналом изменяется амплитуда радиочас тотных колебаний от нулевого до максимального значения (рис. 9.3,6). При передаче посылки сигнала антенна передатчика излу чает радиочастотные колебания постоянной амплитуды, при пере даче паузы между посылками антенна ничего не излучает. Ампли тудную манипуляцию несущими колебаниями можно рассматри вать как 100%-ную амплитудную модуляцию прямоугольными им-
|
|
|
|
|
^ т ж . |
|
|
Рис. |
9.3. |
Огибающая |
радиоимпуль |
Рис. |
9.4. |
Огибающая |
радиоимпуль |
сов |
при |
амплитудной |
манипуляции |
сов |
при |
амплитудной |
манипуляции |
точками |
|
|
точками |
|
|
||
пульсами. Поэтому дальность связи при телеграфной работе боль ше, чем при телефонной.
Ширина спектра частот зависит от скорости телеграфирования и формы телеграфных посылок. При амплитудной манипуляции точками огибающая радиоимпульсов представляет собой прямо угольные импульсы с отсечкой 772, как показано на рис. 9.4. На помним, что спектр импульсов прямоугольной формы состоит только из нечетных гармоник. В этом случае спектр частот пере даваемого сигнала наиболее широкий. Для сужения спектра излу чаемых частот форму импульса телеграфного сигнала изменяют: из прямоугольного импульса формируют колоколообразный. Число гармоник в колоколообразном импульсе уменьшается и полоса су жается. Причем, чтобы получить форму огибающей радиоимпуль сов сигнала, близкую к прямоугольнику, оказывается достаточным пропустить только первую и третью гармоники, так как в этой части спектра сосредоточено 90 ...95% энергии сигнала. На рис. 9.5 показан линейчатый дискретный спектр амплитудно-манипули- рованного сигнала. Видно, что амплитуда основной составляющей равна 0,5 амплитуды, второй составляющей модулирующего сиг нала — 0,32, третьей — 0,11, пятой — 0,064, седьмой — 0,045. Более высокие гармоники (пятую, седьмую и т. д.) целесообразно подавить формирователем, который называют манипуляционным фильтром. Он представляет собой обычный фильтр низкой часто ты, состоящий из дросселей с железом и конденсаторов 2... 20 мкФ. Такой фильтр включают после телеграфного ключа перед манипулятором. Полоса пропускания манипуляционного фильтра не превышает 100 Гц. Обычно ширину полосы пропускания (излу чения) радиочастотного тракта в условиях приема замирающих амплитудно-манипулированных сигналов ограничивают пятой гар моникой спектра модулирующего телеграфного сигнала: П = 2Х X5F = 5Bt где П — полоса спектра излучения; F — частота моду-
288
лирующего сигнала; В — скорость телеграфирования в бодах. В этом случае согласно принятым нормам (ГОСТ 21062—80) при скорости телеграфирования, равной В = 40 Бод, полоса излучения не должна быть шире 240 Гц. На радиолиниях без замираний полосу пропускания можно сузить до H = 2-3F = 6F.
Определим необходимую полосу пропускания канала радио связи при различных скоростях телеграфирования. Самая низкая скорость манипуляции получается при ручной работе, когда опе ратор передает до 25 слов в минуту. Длительность элементарной посылки при передаче стандартного слова «Париж» составляет
t = 60/Лсл •48=60/25 •48 = 0,05 с.
Основная частота манипуляции F = h / 2т= 1/2*0,05= 10 Гц. Не
обходимая |
ширина полосы пропускания канала радиосвязи |
П = |
= 10F= 100 |
Гц. |
ап |
При работе стартстопного буквопечатающего телеграфного |
||
парата со скоростью 50 слов в минуту необходимая ширина поло сы П = 200 Гц, при работе с трансмиттером П=1500 Гц. Из при веденных примеров видно, что наиболее узкая полоса частот, а следовательно, и наибольшая дальность и надежность телеграф ной радиосвязи оказываются при ручном телеграфировании.
Форма амплитудно-модулированного сигнала и его полоса час тот зависят еще от искажения манипуляционного и манипулиро ванного сигналов.
Искажением в данном случае называется степень несоответст вия принятой посылки переданной. Эти несоответствия проявляют ся в виде изменения длительности или формы элементарной по сылки. Различают искажения двух видов: краевые и дробления. Краевые искажения проявляются в виде смещения начал и концов посылок на различную величину (рис. 9.6). Дроблением посылок называется искажение, когда происходит смена полярности посыл ки на части ее или на всей длительности.
Причинами искажений являются неидеальность амплитудных и фазовых характеристик канала связи, помехи в линии связи, переходные процессы в цепях питания манипуляционного каскада, неустойчивая работа манипуляционных реле и недостаточная по лоса пропускания тракта усиления, переходные процессы в кон турах и фильтрах, нестабильность источников питания и др.
0,5 |
|
|
0.32 |
|
|
0,11 |
0,06Ь 0М5 |
|
Т _ 1 |
||
_ U L |
||
^ н?и. |
ib |
^Ч? н-г 'К1
Рис. 9.5. Спектр амплитудно-мани- |
Рис. 9.6. Искажение телеграфно- |
пулированного сигнала |
го сигнала |
Уменьшение искажений, вносимых цепями передачи манипуляционных сигналов, достигается следующими способами. Напря жение питания в цепях манипуляции устанавливают не более 40... 50 В. Применяют электронные реле, обеспечивающие скорость работы и надежность, а также устраняющие слияние точек и дроб ление сигналов. Применяют двухполярные или тональные посылки. Добротность фильтра понижают уменьшением его индуктивности и увеличением емкости.
Амплитудный манипулятор должен обеспечить: узкий спектр частот излучаемого сигнала, отсутствие излучения во время пау зы, разгрузку ключа по току (1... 100 мА). Выполнение этих тре бований достигается применением многокаскадного манипулято ра, манипуляционного фильтра, включением ключа в базовую цепь транзистора.
Осуществлять амплитудную манипуляцию можно в любом кас* каде передатчика. Но подключение цепей манипуляции к задаю-* щему генератору понижает стабильность его частоты, а манипуь ляция в мощных каскадах нежелательна из-за нецелесообразности прерывать большие токи. Поэтому манипуляцию осуществляют в промежуточных каскадах передатчика или в усилительных каска дах возбудителя. Причем для обеспечения чистой паузы необхо димо запирать и отпирать несколько каскадов.
Схема амплитудной манипуляции приведена на рис. 9.7. На транзисторе VT1 выполнен усилитель мощности радиочастоты, а на транзисторе VT2 — электронный ключ. В исходном состоянии ключ отпущен. При этом на базу транзистора VT1 поступает за пирающее напряжение. Транзистор закрыт, и на выходе колебаний нет. Идет пауза. Запирающее напряжение от источника £„ по ступает на делитель R1R2. На резисторе R2 создается напряжение, запирающее VT1. Запирающее напряжение подбирается измене нием сопротивлений резисторов R l, R2 при запертом VT2. Парал
лельно R2 включена выходная цепь транзистора |
VT2 (коллек |
тор— эмиттер). При нажатии ключа К на базу |
VT2 поступает |
отпирающее напряжение, и он переходит в открытое состояние насыщения. Его выходная цепь шунтирует резистор R2. Напряже ние на базе транзистора VT1 уменьшается до нуля, он отпирается и переходит в режим усиления. На выходе его выделяется мощ ность. Продолжительность открытого состояния транзистора VT1 определяется продолжительностью нажатия ключа К.. Антенна пе редатчика будет излучать колебания такой же продолжительности.
Для приема амплитудно-манипулированного сигнала на слух в приемнике имеется вспомогательный гетеродин, частота которого отличается от частоты принимаемого сигнала на величину частоты звукового тона. Изменяя частоту гетеродина можно изменять час тоту биений в некоторых пределах, подбирая удобный для слу хового приема тон звука.
Тональная радиотелеграфия. При тональной телеграфии коле бания несущей частоты сначала модулируются по амплитуде ко лебанием звуковой частоты порядка 600... 1000 Гц, а затем мани-