книги / Основы радиоэлектроники

ляет сигнал как функцию времени (для периодического сигнала см. формулу 1.1.). Для описания спектрального состава сигнала используют спектрограммы— графики, где по оси абсцисс от­ ложены частоты, а по оси ординат — амплитуды отдельных гар­ монических спектральных составляющих. На рис. 1.4. приведена спектрограмма сигнала, содержащего постоянную составля­ ющую (со = 0) и три гармонических составляющих с частотами соь со2 и со3. Спектрограмма не несет никакой информации о началь­ ных фазах ф* гармонических составляющих. Если эти сведения нужны, необходимо построить еще один график, отложив по оси абсцисс частоты, а по оси ординат — начальные фазы (пример приведен на рис. 1.5). Физиологические исследования человечес­ кого слуха показали, что ухо реагирует на изменения амплитуд гармонических составляющих звукового сигнала и не реагируют на изменение начальных фаз ф*. Поэтому при разработке радио­ вещательных и радиосвязных систем необходимо стремиться без искажений передать амплитуды составляющих звукового сигнала

иможно не обращать внимание на точность передачи начальных фаз.

Вто же время глаз реагирует на изменение как амплитуд, так

иначальных фаз гармонических составляющих видеосигнала, поэтому видеосигналы должны быть переданы через соответст­ вующие телевизионные системы с минимальными искажениями амплитуд и начальных фаз спектральных составляющих. Это определяет более жесткие требования к высококачественным те­ левизионным системам.

Таким образом, требования к радиовещательным, радиосвяз­ ным и телевизионным системам определяются физиологически­ ми особенностями слуха и зрения человека.

§ 1.2. Проблема многоканальности радиосвязи

Одновременное звучание нескольких голосов в комнате мешает нормальному восприятию информации от собеседника. Чтобы улучшить это восприятие информации, надо либо повысить голос, т. е. увеличить амплитуду и мощность Рс полезного звукового

сигнала, либо выбрать место, где другие голоса— помехи — будут меньше мешать, т. е. уменьшать амплитуду и мощность Ршпомех (шума), либо сделать и то и другое. При этом увеличива­ ется отношение сигнал/шум Рс/Рши улучшается передача интере­ сующей нас информации. Если необходимо осуществить передачу информации на большие расстояния, можно воспользоваться телефонной связью. В этом случае звуковые сигналы от источника информации— интересующего нас человека— с помощью микро­ фона преобразуются в электрические сигналы, а эти сигналы по двум проводам распространяются до места приема, где с по­ мощью головного телефона преобразуются вновь в звуковые волны, которые абонент слышит. В данном случае влияние помех ослабляется из-за того, что каждым двум абонентам представля­ ется своя линия связи— пара проводов, изолированная от линий связи остальных объектов. Однако для поочередной связи с раз­ личными абонентами надо прокладывать много проводов, только таким образом можно осуществить многоканальную связь. При большом числе каналов многоканальная связь по проводам труд­ но осуществима. Большие возможности осуществления многока­ нальной связи возникают при использовании электромагнитных волн. Рассмотрим возможности осуществления многоканальной радиосвязи с помощью электромагнитных колебаний звуковых частот. Как уже отмечалось в § 1.1., воспринимаемый звуковой сигнал и соответствующий ему электрический сигнал могут содер­ жать гармонические составляющие с частотами от 20 Гц до 20 кГц. Эти составляющие содержат и интересующий нас полез­ ный сигнал, и не интересующие нас звуковые сигналы других источников. Если осуществить излучение электромагнитных волн с частотами от 20 Гц до 20 кГц, то в место приема придут электромагнитные волны на этих частотах как от интересующей нас радиостанции, так и от других, не интересующих нас радиоста­ нций. Последние радиостанции создают помехи приему интересу­ ющей нас информации. Перекрытие (взаимное наложение) спект­ ров сигналов и помех крайне затрудняет выделение нужного сигнала и интересующей нас информации. Это является принципи­ альной причиной невозможности многоканальной радиосвязи с помощью электромагнитных колебаний звуковых частот.

Кроме того, существует еще одна, чисто техническая причина. Для эффективного излучения электромагнитных волн необходи­ мо использовать антенны, размеры которых соизмеримы (в двачетыре раза меньше) с длиной электромагнитной волны. Дли­

/= 75-г-150 км. Создание таких антенн сложно и дорого. Кроме того, сложно передать с помощью одной антенны весь спектр колебаний управляющего сигнала.

Решение проблемы многоканальное™ радиосвязи и ее поме­ хозащищенности удалось получить путем использования допол­ нительных высокочастотных несущих колебаний.

Несущее колебание представляет собой гармоническое коле­

бание и= f/Mcos(coHM-(pM), частота которого / м = ^ существенно

превышает верхнюю частоту управляющего сигнала. Управляющий сигнал воздействует на один из параметров

несущего колебания: либо на амплитуду UM, либо на частоту оон, либо на начальную фазу <рм. В результате получается радиосиг­ нал — модулированное колебание, которое теперь является носи­ телем информации, содержащейся в управляющем сигнале. Эта операция называется модуляцией. Соответственно различают амплитудную модуляцию (получается амплитудно-модулирован- ное колебание, сокращенно AM-колебание), частотную модуля­ цию (получается частотно-модулированное колебание, сокращен­ но— ЧМ-колебание) и фазовую модуляцию (получается фазомодулированное колебание, сокращенно ФМ-колебание). Радио­ сигнал поступает в антенну радиопередатчика. С помощью ан­ тенны излучаются электромагнитные волны. Для разделения ка­ налов каждому каналу выделена своя электромагнитная волна, соответствующая своему несущему колебанию с частотой f Hi. Так осуществляется частотное разделение каналов. Первый канал занимает полосу частот вблизи / н1, второй — вблизи / н2, тре­ тий— вблизи / н3 и т. д. Частоты несущих колебаний (несущие частоты) выбираются таким образом, чтобы полосы частот, отводимых каждому каналу— каждой радиостанции, не перекры­ вались.

На приемное устройство действуют электромагнитные волны от многих радиостанций. Поэтому приемник должен содержать на входе устройство— электрический фильтр,— позволяющее вы­ делить радиосигнал интересующей нас радиостанции. Перестраи­ вая этот фильтр, можно поочередно выделять радиосигналы различных радиостанций, подавлять сигналы остальных, не ин­ тересующих нас радиостанций, получить интересующую нас ин­ формацию и тем самым решить проблему многоканальности радиосвязи.

Для передачи звука с максимальной частотой Гтах= 4,5 кГц в радиовещании и радиосвязи выбираются несущие частоты, большие 30 кГц, для передачи видеосигналов с максимальной частотой Fmax = 6,5 МГц используются несущие частоты,большие 40 МГц.

Простейшая структурная схема радиосвязи при частотном разделении каналов приведена на рис. 1.6. Передатчик содержит микрофон 1 — преобразователь звукового сигнала— переносчика информации— в электрический управляющий сигнал, генератор

Генератор

несущих

колебаний

Рис. 1.6

несущего немодулированного колебания 2 и модулятор (модули­ рующее устройство) 3, на который подается управляющий сигнал и несущее колебание. На выходе модулятора появляются моду­ лированные колебания, которые поступают в передающую ан­ тенну 4, с помощью которой излучаются электромагнитные вол­ ны. По линии связи— эфиру— электромагнитные волны распро­ страняются к приемной антенне 5 приемника. Приемников может быть много, поэтому много людей одновременно могут полу­ чать одну и ту же информацию, передаваемую передатчиком (рис. 1.7.).

На приемную антенну (рис. 1.6 и рис. 1.7) падают электромаг­ нитные волны от многих передатчиков, которые возбуждают в антенне целый ряд электрических сигналов. Чтобы выделить интересующее нас модулированное колебание определенного пе­ редатчика, надо настроить фильтр 6 на частоту несущего колеба­ ния (рис. 1.6). Фильтр играет очень важную роль в схеме прием­ ного устройства. Как уже отмечалось, он позволяет избавиться от влияния мешающих станций или существенно ослабить его, тем самым резко увеличивая отношение сигнал/шум. Так ре­ ализуется частотное разделение каналов. С выхода фильтра мо­

дулированное колебание поступает на демодулятор (или детек­ тор) 7, где осуществляется операция, обратная модуляции: из модулированного колебания получается управляющий электри­ ческий сигнал. Этот сигнал после усиления в усилителе 8 поступа­ ет на громкоговоритель 9, где осуществляется операция преоб­ разования электрического сигнала в звуковой сигнал. Этот звуко­ вой сигнал— переносчик информации — и воспринимается слушателем.

Усилитель 8 используется в тех случаях, когда приемник дале­ ко удален от передатчика, поскольку интенсивность электромаг­ нитной волны сильно убывает с увеличением расстояния.

§ 1.3. Амплитудная, частотная и фазовая модуляции

Для передачи сообщений, заключенных в управляющих сиг­ налах, в радиоэлектронике широко используются гармонические несущие колебания и— UMcos(оанН-фн), которые характеризуются тремя постоянными величинами: амплитудой (7М, частотой toHи начальной фазой <рн. Несущее колебание подвергается специ­ альной операции — модуляции, в результате чего какой-либо па­ раметр несущего колебания— либо £/м, либо сон, либо <рн переста­ ет быть постоянной величиной и изменяется во времени под действием управляющего сигнала. В результате получается ра­ диосигнал, в котором теперь запечатлена (в которой заложена) исходная информация. Спектр радиосигнала содержит ряд спект­ ральных составляющих в окрестности частоты сон, т. е. он значи­ тельно сложнее спектра несущего колебания, содержащего един­ ственную спектральную составляющую на частоте сон.

Амплитудная модуляция. В радиовещании, радиосвязи и при передаче изображения в телевидении широко используется ам­ плитудная модуляция. При амплитудной модуляции осуществля­ ется изменение с течением времени амплитуды С/ам радиосигнала

всоответствии с управляющим сигналом 0 С(О-

Впростейшем случае UaM= UM+ AU, где AU=kUc(t). Как пра­ вило, управляющий сигнал Uc (t) достаточно сложен по спектраль­ ному составу, т. е. имеет ряд спектральных составляющих. Поэто­ му, чтобы не загромождать анализ, ограничимся рассмотрением простейшего управляющего сигнала — однотонального,— содер­ жащего только одно гармоническое колебание (рис. 1.8).

Uc(/) = Ua cos Q/; (П « со0).

При этом

^ам(*)= Uu+ kUa cos£lt= С/м(1 -t-wcosQf),

где m = kUn/UM— коэффициент (глубина) амплитудной модуля­ ции. В данном случае радиосигнал имеет вид (рис. 1.8)

модуляции, поэтому это колебание никакой информации не не­ сет. Действующая мощность AM радиосигнала равна сумме действующих мощностей его составляющих на сопротивлении нагрузки RH:

превышает 25% мощности несущей. Для качественного радиове­ щания средняя глубина модуляции не превышает т —0,3, посколь­ ку, как правило, передаются звуки средней громкости, а большие значения используются для передачи относительно редких гром­ ких звуков. При т < 0,3 мощность каждой боковой составляющей не превышает 25% от мощности несущего колебания.

Если управляющий сигнал содержит N составляющих (рис. 1.11, N=4)

N

Uc{t)= X UmiCOS (Qf/ + \|/,), 1=1

то амплитуда AM радиосигнала меняется по закону

N

^ам(0 =с/м + Агнс(0 =с/м [1+ X mfcos(fi;H-\|/,)], 1= 1

аАМ радиосигнал может быть представлен в виде (рис. 1.12)

и(?)= UaM(/) c°s (оо„/ + фо)= UHcos (сон t + <р „)+

В этом случае снова легко видеть, что амплитудная модуляция не сказывается на колебании несущей частоты t/Mcos(coH?+(p„). На шкале частот спектр АМ радиосигнала (рис. 1.12) занимает поло­ су частот Дсоам, ширина которой определяется разностью частот колебания с максимальной частотой со„+Птах и колебания с ми­ нимальной частотой со„—Птах (рис. 1.11 Птах= П4).

Д®ам = (®и"1”^тах) (®н ^тах)= 2Qmax.

При модуляции одной частотой "mi Q полоса частот AcoaM= 2Q. Для качественного приема программ радиовещания необходимо, что­ бы спектры AM радиосигналов различных радиостанций не прекрывались. Поэтому их несущие частоты должны быть раздвину­

ты по шкале частот на расстояние Ato„, не меньшее, чем A©min= Q maxl + Q max2, где Qmax{ и Птах2— максимальные частоты модуляции первой и второй радиостанций (рис. 1.13). Для удов­ летворительного воспроизведения речи и музыки достаточно, чтобы максимальная частота управляющего сигнала (модулиру­ ющего сигнала) не превышала 4,5 кГц. Поэтому расстояние

менее 9 кГц. В случае амплитудной модуляции боковые составля­ ющие, одинаково расположенные относительно колебания несу­ щей частоты, равны между собой, т. е. спектр боковых симмет­ ричен относительно несущей частоты. Это говорит о том, что боковые составляющие выше и ниже несущей переносят одну и ту же информацию, и, следовательно, достаточно передавать толь­ ко одну боковую полосу. В этом случае полоса частот, занима­ емая одной радиостанцией на шкале частот, уменьшается в 2 ра­ за, и в заданном диапазоне частот от сотах до comin можно разместить в 2 раза больше радиостанций, чем в случае двухпо­ лосной амплитудной модуляции (см. рис. 1.13 и 1.14), и сэконо­ мить мощность передатчика. В радиовещании при двухполосной модуляции каждая радиостанция «занимает» на шкале частот полосу Д/ « 9 кГц, это относительно малая полоса, и нет особой необходимости использовать однополосную модуляцию. В теле­

(импульсный радиосигнал), а частота ЧМ сигнала— также два значения— со 2 и <в2Рассмотрим спектральный состав ЧМ ко­ лебания.

Используя формулу для разложения косинуса суммы углов, представим ычм (?) в виде:

w4M(0=t/MCOs(coHr+ cpo+w0,sinQ/)=f/Mcos((o„/ +

+ (р о)cos (тшsin П t) —UMsin (to„t + фо) sin (wmsin to/).

При малых значениях та{та<^: 1)

cos(masin£lt)& 1; sinlwojSinQ^^WaSinQ/;

получаем

«чм (0 = UMcos ((0„t + фо)— Uu sin (юнИф0) sin £2 / =

= tfMCOs(w„/-^0)+ ^y^COS [((Он + П)/ + ф о ]-

—у и ыcos [(©„ - Q) t + фо],

т. е. при малых индексах частотной модуляции спектр ЧМ радио­ сигнала содержит три компоненты: на несущей частоте со„ и на частотах, сдвинутых выше и ниже <он на частоту модуляции Q, как и в случае амплитудной модуляции. Однако в случае ампли­ тудной модуляции все компоненты положительны, а в случае частотной модуляции одна составляющая отрицательна (рис. 1.18).