Лекция 28

Особенности однополосной модуляции (ОМ). Преимущества ОМ над АМ и её энергетическая эффективность. Методы формирования однополосного сигнала, их сравнение. Применение ОМ для многоканальной работы. Особенности многоканальной работы.

Спектр колебания, модулированного по амплитуде одним тоном с частотой Ω, состоит из трёх гармонических составляющих: несущего колебания с частотой ω и колебаний боковых частот – верхней (ω + Ω) и нижней (ω – Ω). Выражение, например, амплитудно-модулированного анодного тока имеет вид:¹

, (28.1)

где I_А1Н – амплитуда первой гармоники анодного тока в режиме несущей частоты (молчания); m – коэффициент модуляции, прямо пропорциональный амплитуде модулирующего сигнала.

При модуляции сложным сигналом боковые частоты образуют боковые полосы. В дальнейшем мы будем говорить об одной боковой полосе, подразумевая под Ω = 2πF полосу модулирующих частот.

Если посмотреть на выражения для колебаний каждой из боковых частот (полос) в (28.1), то можно видеть, что информация об амплитуде модулирующего (информационного) сигнала заключена в амплитуде каждого колебания боковой частоты, куда она входит через коэффициент модуляции m, а информация о частоте модулирующего сигнала Ω заключена в частоте каждого бокового колебания: каждая боковая частота отличается от несущей частоты ω на величину частоты модуляции Ω. Из рассмотрения колебания боковой частоты (полосы) следует, что у него по закону модулирующего сигнала изменяются амплитуда и фаза. Именно поэтому однополосную модуляцию иногда называют амплитудно-фазовой модуляцией.²

При однополосной модуляции (ОМ) осуществляется подавление в передатчике колебаний несущей частоты и одной боковой полосы.³ Соответственно излучается оставшаяся боковая полоса. Занимаемая при этом передатчиком полоса частот сокращается в 2 раза.

Если при «обычной» амплитудной модуляции (АМ) огибающая промодулированного колебания (28.1) воспроизводит форму модулирующего сигнала, то огибающая однополосного сигнала совсем не похожа на модулирующий сигнал. Это легко уяснить из рассмотрения модуляции одним тоном. При АМ (в спектре имеется несущая и две боковые частоты) огибающая высокочастотного сигнала с частотой ω, как уже отмечалось, воспроизводит форму модулирующего сигнала: гармонический сигнал с частотой Ω (см. рис.24.1, лекция 24). Огибающая колебания одной боковой частоты (ω + Ω) или (ω – Ω) представляет при этом горизонтальную прямую.

Очевидно, если передатчик излучает колебание одной боковой полосы (ОБП), то для выделения полезного (информационного) сигнала потребуется восстановление на приёмном конце колебания несущей частоты. Разница между несущей частотой ω и частотой принятого сигнала даст знание о частоте информационного сигнала Ω . Знание об амплитуде информационного сигнала следует из амплитуды принятого сигнала. Таким образом, приём сигналов ОБП возможен на специальные приёмники.

Эффективность передачи на одной боковой полосе (ОБП)

Вопрос об эффективности однополосной передачи удобно рассмотреть путём оценки эквивалентного выигрыша в мощности при передаче, получающегося в результате перехода на передачу и приём с двух боковых полос на одну.

Для большей наглядности рассуждений предположим, что АМ осуществляется с коэффициентом модуляции m = 1. Максимальное изменение амплитуды первой гармоники анодного (коллекторного) тока, определяющее эффект на приёмном конце, при этом равно I_~ = mI_{А1Н, К1Н} = I_{А1Н, К1Н}. Если принять, что лампа или транзистор полностью используются по мощности, то справедливо считать

, (*)

где I_{1 НОМ} – амплитуда номинального тока первой гармоники АЭ.

Если на этом же АЭ (лампе или транзисторе) реализовать генератор ОБП, то вся мощность АЭ будет отдана колебанию ОБП, определяющему эффект на приёмном конце. Соответственно в этом случае можно считать

I_~ = I_{А1, К1} = I_1НОМ . (**)

Как видно из (*), (**), переход на однополосную работу даёт выигрыш по току (аналогично по напряжению) в два раза, что равносильно увеличению мощности генератора (передатчика) в четыре раза.

Например, если при двухполосной передаче мощность передатчика в режиме несущей частоты P_~Н = 200 кВт (мощность в максимальном режиме при 100% модуляции P_~МАКС = 800 кВт), то при переходе на однополосную работу тот же эффект на приёме может быть получен при мощности передатчика 50 кВт. Это означает, что передающая антенна, фидерная система, детали мощных каскадов передатчика должны быть рассчитаны на токи и напряжения высокой частоты в четыре раза меньше по сравнению с аналогичным двухполосным передатчиком: 800 кВт : 50 кВт = 4². Габариты и вес передатчика при этом существенно уменьшаются.

Переход на однополосную работу позволяет уменьшить полосу частот излучаемых передатчиком колебаний практически в два раза. В связи с этим может быть получен дополнительный выигрыш в отношении сигнал/помеха (сигнал/шум) за счёт сужения полосы пропускания приёмника в два раза. При равномерном распределении шумов в полосе это приводит к эквивалентному выигрышу по мощности в 2 раза.

В итоге результирующий эквивалентный выигрыш по мощности за счёт лучшего использования мощности АЭ выходного каскада и сужения полосы частот излучаемых передатчиком колебаний при однополосной работе получается порядка 8.

В коротковолновом диапазоне, где работа с ОБП нашла широкое распространение для связи, выигрыш по мощности передатчика может оказаться ещё, примерно в два раза, больше. Дело в том, что при двухполосной работе в силу возможного большого различия частот составляющих спектра АМ колебания при верхних частотах модуляции в точке приёма между составляющими спектра из-за прохождения ими путей разной протяжённости (в силу специфики распространения коротких волн) нарушается фазовое соотношение, что может обусловить пропадание (замирание) сигнала. При однополосной работе излучается одно колебание и неважно по какому пути оно пришло в пункт приёма.

Таким образом, переход на однополосную работу равносилен общему выигрышу по мощности порядка 8…16 раз (9…12 дБ).

Выигрыш по мощности в 8…16 раз получается при условии, что полностью подавляются колебания несущей частоты и второй боковой полосы. Для получения такого выигрыша практически необходимо обеспечить подавление ненужных колебаний не менее, чем на 40 дБ по сравнению с излучаемым. То есть излучаемое и подавляемое колебания должны различаться по амплитуде не менее, чем в 100 раз.

В то же время, как отмечалось, для выделения информационного сигнала на приёмном конце должна быть восстановлена несущая частота. Очевидно, что несущая частота, восстанавливаемая в приёмном устройстве, должна быть строго синхронизована с частотой подавленной несущей в передатчике. Во избежание искажений тембра расхождение между значениями указанных частот не должно превышать ±10 Гц при телефонной передаче и ±(1…2) Гц при радиовещании. Такое, достаточно жёсткое, требование удовлетворяется в современных однополосных передатчиках двумя путями.

1. Колебания несущей частоты подавляются в передатчике не полностью, то есть передача производится «с остатком несущей». Остаток колебания несущей частоты составляет примерно (10…20)% от номинального значения первой гармоники анодного (коллекторного) тока лампы (транзистора). Излучаемый остаток колебания несущей частоты, называемый пилот-сигналом, образует на приёмной стороне опорный сигнал, с помощью которого производится автоматическая подстройка местной несущей частоты. Излучение остатка несущей частоты несколько уменьшает эквивалентный выигрыш по мощности по сравнению с режимом полного подавления колебаний несущей и другой боковой частоты.⁴ Эквивалентный выигрыш по мощности при остатке несущей 10% получается порядка (6,5…13) раз (8,13…11,14 дБ). Значительное уменьшение эффективности однополосной передачи при рассматриваемом способе восстановления несущей в приёмнике вынуждает выбирать уровень остатка колебания несущей частоты небольшим. Однако чрезмерное уменьшение остатка несущей недопустимо, так как он может оказаться соизмеримым с шумами, что будет затруднять работу автоматической подстройки частоты гетеродина в приёмнике.

2. Применение высокостабильных автогенераторов в радиопередатчике и приёмнике. При допустимых отклонениях несущей частоты в передатчике и приёмнике (±10 Гц при телефонии; ±1…2 Гц при радиовещании), например, при центральной частоте 20 МГц нестабильность частот автогенераторов должна быть не хуже ±10^-7…0,5·10^-7 при радиовещании и не хуже ±0,5·10^-6 при телефонии. Необходимо иметь в виду, что уходы частот автогенераторов в передатчике и приёмнике могут оказаться противоположными по знаку, что делает требования к стабильности частот ещё более жёсткими. Современная техника получения точных частот позволяет успешно решать эту задачу (см. лекции 22 и 23). Необходимо отметить, что этот способ синхронизации подавляемой и восстанавливаемой несущих частот является наиболее перспективным, так как излучаемые передатчиком колебания состоят только из одной боковой полосы, и отпадает надобность в специальной системе АПЧ на приёмной стороне.

В современных однополосных передатчиках применяются оба способа синхронизации несущих частот.

Говоря об эффективности передатчиков с ОБП, следует отметить их высокую экономичность. Эквивалентное уменьшение потребляемой мощности передатчиком с ОБП по сравнению с «обычным» передатчиком с двумя боковыми полосами получается в среднем порядка 10. Это обусловливается тем, что мощность, потребляемая однополосным передатчиком, зависит от того, есть или нет модулирующий сигнал. Действительно, если колебание несущей частоты подавляется в передатчике полностью, то в режиме молчания (нет модулирующего сигнала) передатчик ничего не излучает, но в этом режиме он практически «ничего» и не потребляет.

Большой эквивалентный выигрыш по мощности при однополосной передаче позволяет широко использовать системы с ОБП для многоканальной связи, например, для осуществления междугородних телефонных разговоров. Существенным преимуществом подобных систем связи является уменьшение полосы излучаемого спектра в два раза, имеющее большое значение при существующей «тесноте в эфире». Профессиональные системы связи с ОБП в основном применяются в коротковолновом диапазоне.

Передатчики с ОБП применяются в телевидении для передачи сигналов изображения, так как позволяют существенно уменьшить занимаемую полосу частот радиосигналом изображения и осуществлять его эффективное усиление в каскадах радиопередатчика и приёмника.

Передатчики с ОБП применяют также для передачи программ централизованного радиовещания, когда на центральном передатчике несущая и одна боковая полоса подавляются полностью. В крупном административном или промышленном центре осуществляется приём сигнала ОБП и уже с территории этого центра радиопередача осуществляется по «обычной» системе АМ с двумя боковыми полосами и несущей.

Передатчики с ОБП широко применяются в радиолюбительской связи, позволяя осуществлять связь на дальние расстояния при малой мощности передатчика.

Способы формирования однополосного сигнала

Однополосный сигнал формируется из двухполосного АМ колебания. При этом колебания нерабочей боковой полосы и несущей частоты подавляются. Колебание несущей частоты может быть легко подавлено с помощью балансного модулятора (БМ).

Балансный модулятор⁵ включает в себя, как минимум, два одинаковых амплитудно-модулируемых генератора по любой из рассмотренных нами схем осуществления АМ, работающих на общую нагрузку. Существует несколько разновидностей схем БМ. На рис.28.1,а представлена так называемая двухтактная схема БМ, а на рис.28.1,б – двухтактно-параллельная схема БМ.

В схеме (рис.28.1,а) модулирующий сигнал подаётся на генераторы в противофазе, как в двухтактной схеме, а высокочастотный (модулируемый) сигнал в фазе. Выходы генераторов подключены к нагрузке последовательно, как в двухтактной схеме. В схеме (рис.28.1,б) модулирующий и модулируемый сигналы подаются на генераторы в противофазе, как в двухтактной схеме, а выходы генераторов подключаются к нагрузке параллельно.⁶ На выходе каждого из генераторов получаем амплитудно-модулированный ток.

Пусть в схеме (рис.28.1,а) у генератора АМГ1 выходной ток

(28.1)