🗊Презентация Методы формирования и обработки аналоговых радиосигналов в аппаратуре радиосвязи. К лекции 3

Лекция 3 Тема: Методы формирования и обработки аналоговых радиосигналов в аппаратуре радиосвязи Учебные вопросы: 1. Аналоговые сигналы радиосвязи. Методы формирования и обработки. 2. Системы радиосвязи с аналоговыми видами модуляции. Сравнительная оценка. Область применения.

Литература 1. Ворона В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета: учеб. пособие для вузов - М. : Горячая линия - Телеком, 2007. - 384 с. 2. Куликов Г. В. Радиовещательные приёмники : учеб. пособие для вузов / Г. В. Куликов, А. А. Парамонов - М. : Горячая линия - Телеком, 2011. - 120 с. 3. Ситников В.А. - Ростов н/Д : РАС ЮРГУЭС, 2009. - 196 с. Устройства приема и обработки сигналов : крат. текст лекций для студ. всех форм обучения МТФ по спец. "БРА" и "САСКТ".

1-й вопрос: Аналоговые сигналы радиосвязи. Методы формирования и обработки Сигналы с амплитудной модуляцией. Математическая модель АМС. Коэффициент глубины модуляции. Достоинства и недостатки АМС. Схема РПДУ с умножением частоты. Схема РПДУ с переносом частоты. Спектр АМ сигнала. Математическая модель сигнала с угловой модуляцией. График ЧМ сигнала с тональной модуляцией. Отличия ФМ и ЧМ. Спектр ЧМ и ФМ сигнала при заданном значении mч=5 и mч=2,4. Методы осуществления угловой модуляции. Схемы формирования сигналов с угловой модуляцией. Стабилизация частоты несущей при частотной модуляции.

Сигналы с амплитудной модуляцией Под амплитудной модуляцией понимают процесс изме- нения амплитуды радиосигнала по закону изменения информационного сообщения. Сформированное таким образом радиочастотное колебание называют амплитуд- номодулированным. АМ используется для передачи непрерывных сигналов: - телефонных - звукового вещания; - факсимильных; - для передачи сигналов телевизионных изображений в диапазонах метровых и дециметровых волн. АМ сигналы (АМС) используются в основном для слуховых видов работ.

Математическая модель АМС Математическая модель АМС может быть представлена в виде: где - частота колебаний несущей волны; где - это константа, определяющая амплитуду несущего колебания в отсутствии модуляции; - коэффициент глубины модуляции. где - максимальный ток в антенне; - средний ток в антенне.

Коэффициент глубины модуляции Простейший АМС может быть получен, когда модулирующим сигналом является простейший гармонический сигнал вида: С учетом этого, выражение для АМС примет вид: Амплитуда модулирующего сигнала определяется коэффициентом глубины модуляции m, при этом: Если произведение косинусов заменить их суммой, то для = 0 и = 0, можно записать: Получим 3 гармоники (2 отстоящие на Ω от третьей вверх и вниз по оси частот соответственно).

Достоинства и недостатки АМС Достоинства систем радиосвязи с АМ: - простота технической реализации; - сравнительно небольшая ширина спектра Недостатки систем радиосвязи с АМ: - низкая помехоустойчивость; - неэффективность использования мощности передатчика (менее 30%); - напряженный режим работы выходных каскадов - необходимость проектирования передатчика на максимальную мощность.

Схема РПДУ с умножением частоты

Схема РПДУ с переносом частоты

Спектр АМ сигнала

Математическая модель сигнала с угловой модуляцией Поскольку мгновенная частота (t) с фазой (t) сигнала связана соотношением: то частотная и фазовая модуляция взаимозависимы, их объединяют даже общим названием - угловая модуляция. При частотной модуляции (ЧМ) мгновенная частота сигнала изменяется по закону модулирующего сигнала, при фазовой (ФМ) - фаза. Поэтому, при модуляции тестовым синусоидальным сигналом частотой : uмод(t)=Uмодcost. При ЧМ и ФМ соответственно получим: (t)=0+девcost, где дев=kUмод - девиация частоты; (t)=0t+девcost+0, где дев=kUмод - девиация фазы.

Индексы частотной и фазовой модуляции Высокочастотное несущее колебание имеет вид: . При ЧМ тональным сигналом несущее колебание примет вид: где mч=/ - индекс частотной модуляции. При ФМ тональным сигналом несущее колебание принимает вид: где дев - девиация фазы, или индекс фазовой модуляции.

График ЧМ сигнала с тональной модуляцией

Отличия ФМ и ЧМ Из формул видно, что при частоте модулирующего сигнала =const отличить ЧМ от ФМ не представля- ется возможным. Это различие можно обнаружить только при изменении частоты . При ЧМ девиация частоты дев=const при изменении частоты , а девиация фазы сигнала меняется по закону дев=дев/. При ФМ амплитуда колебания фазы сигнала дев=const, а мгновенная частота сигнала меняется по закону следовательно, девиация частоты пропорциональна частоте модулирующего сигнала дев=дев/. Данное различие между ЧМ и ФМ иллюстрируется с помощью графиков.

Отличия ФМ и ЧМ

Спектр ЧМ и ФМ сигнала при заданном значении mч=5 и mч=2,4

Методы осуществления угловой модуляции Методы осуществления угловой модуляции можно разде- лить на прямые и косвенные. Прямой метод при ЧМ озна- чает непосредственное воздействие на колебательную систему автогенератора, определяющую частоту колеба- ний. Косвенный метод состоит в преобразовании ФМ в ЧМ. Прямой метод при ФМ означает воздействие на ВЧ усилитель или умножитель частоты, т.е. на электрические цепи, определяющие фазу высокочастотных колебаний. Косвенный метод заключается в преобразовании частот- ной модуляции в фазовую. Сказанное можно пояснить с помощью четырех структурных схем, представленных на слайде, на которых приняты следующие обозначения: Г - автогенератор, У - усилитель, ЧМ - частотный модулятор, ФМ - фазовый модулятор, И - интегратор. Для преобразо- вания ФМ в ЧМ на входе фазового модулятора включается интегратор, а частотной - в фазовую на входе ЧМ – диффе- ренцирующая цепь.

Схемы формирования сигналов с угловой модуляцией

Стабилизация частоты несущей при частотной модуляции Поскольку при прямом методе ЧМ к контуру автогенератора подключа- ется частотный модулятор, то это приводит к снижению стабильности частоты автоколебаний. Для нейтрализации этого явления используют три способа: – модуляцию осуществляют в кварцевом автогенераторе; – применяют косвенный метод модуляции; – стабилизируют частоту автогенератора, к которому подключен частотный модулятор, с помощью системы АПЧ. Два первых способа обеспечивают получение сравнительно малой девиации частоты, и поэтому они применяются в основном при узко- полосной ЧМ, когда девиация частоты не превышает нескольких кило- герц. Третий способ позволяет обеспечить малую нестабильность частоты, требуемое, в том числе большое, значение девиации частоты. Следует установить такое быстродействие системы авторегулирования, чтобы она реагировала на относительно медленные изменения часто- ты автогенератора под действием дестабилизирующих факторов (на- пример, изменения температуры) и не откликалась бы на относительно быстрые изменения частоты под действием модулирующего сигнала.

2-й вопрос: Системы радиосвязи с аналоговыми видами модуляции. Сравнительная оценка. Область применения Сравнение АМ и ОМ сигналов. Достоинства, недостатки и особенность ЧМ сигналов. Ширина спектра УМ сигнала. Сущность прямого и косвенного методов формирования ЧМ сигналов. Применение СРС с АМ. Достоинство СРС с АМ. Применение СРС с ЧМ. Преимущество СРС с ЧМ.

Сравнение АМ и ОМ сигналов Переход от АМ к ОМ эквивалентен выигрышу по мощности примерно в 16 раз (10-12 дб). Н е д о с т а т к а м и СРС с ОПС являются: - необходимость дополнительного восстановления несущей на приемной стороне; - возможность появления асинхронизма радиоканала; - более сложные схемы детектирования.

Достоинства, недостатки и особенность ЧМ сигналов Преимущества СРС с ЧМ по сравнению с АМ: 1. более высокая помехоустойчивость; 2. более эффективное использование мощности передатчика и менее напряженный режим работы его выходных каскадов. Недостатки СРС с ЧМ: - необходимость более широкой полосы пропускания канала связи; - сложность технической реализации передатчиков и приемников ЧМ сигналов с требуемым качеством передачи и приема. Особенность ЧМ сигнала: - независимость (постоянство) амплитуды модулированного колебания от передаваемого сигнала.

Ширина спектра УМ сигнала Ширина спектра при УМ - бесконечна. На практике за ширину спектра - при ЧМ принимают полосу частот, в которую не входят составляющие спектра с амплитудой меньше 1 - 3 % амплитуды несущей; - при mчм < 0,5 →Δfчм ≈ 2Fmaх ≈ Δfам - с увеличением mчм - спектр расширяется; - при mчм >> 1 Δfчм ≈ 2Δfд не зависит от спектра модулирующего сигнала. При ЧМ ширина спектра зависит от девиации частоты и следовательно прямо пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала. Ширина спектра ФМ колебаний при Δφ >>1 равна 2ΔφдF т.е. зависит от модулирующей частоты. Это коренные отличия между спектрами сигналов ЧМ и ФМ. На практике ширина спектра при ЧМ определяется формулой Манаева:

Сущность прямого и косвенного методов формирования ЧМ сигналов Передающее устройство ЧМ основывается на двух методах: - прямом; - косвенном. Прямой метод Модулирующее колебание воздействует непосредственно на автогене­ратор и меняет его частоту. Недостатки: - низкая стабильность средней частоты ЧМ колебаний; - малая девиация частоты; - большой уровень нелинейных искажений. Косвенный метод Воздействию модулирующего сигнала подвергается не гадающий авто­генератор, а низкочастотный вспомогательный, так называемый частотно - модулируемый генератор, ЧМ сигнал с ванной девиацией частоты образуется путем преобразования колебаний задающего генератора (возбудителя) и вспомогательного ЧМГ. Обеспечивается наибольшая стабильность частоты. Наиболее просто высокая стабильность средней частоты достигается при использовании косвенного метода получения ЧМ сигналов.

Применение и достоинства СРС с АМ Системы радиосвязи с амплитудной модуляцией (АМ) применяют в основном в диапазонах километровых, гектометровых и декаметровых волн для передачи непрерывных (телефонных, звукового вещания, факсимильных) сигналов, а также для передачи сигналов изображения в телевизионных системах метровых и дециметровых волн. Кроме того, с целью ношения помехоустойчивости специальных систем радиосвязи амплитудная модуляция применяется в комбинации с другими видами: модуляции, например, АМ-ЧМ, АМ-ФМ, АМ-ЧМ-ФМ. Достоинством систем радиосвязи с амплитудной модуляцией является относительная простота их технической реализации и сравнительно с частотной модуляцией узкая полоса канала радиосвязи. Однако они обладают недостатками: низкой помехоустойчивостью, неэффективным использованием мощности передатчика и напряженным режимом работы его выходного каскадов (для передачи полезной информации используется менее 30% выходной мощности передатчика, а остальная мощность расходуется на несущую). Таким образом, передатчик АМ колебаний должен проектироваться на максимальную мощность.

Применение и преимущество СРС с ЧМ Системы радиосвязи с ЧМ модуляцией применяют в основном в диапазонах декаметровых и дециметровых волн для передачи непрерывных (телефонные, высококачественного звукового вещания, факсимильные) сигналов. Частотную модуляцию широко используют в декаметровом и метровом диапазонах для передачи оперативной информации, а в дециметровом диапазоне ( спутниковые радиолинии) её применяют для формирования группового сигнала. Преимуществом систем радиосвязи с ЧМ по сравнению с АМ является высокая помехоустойчивость, более эффективное использование мощности передатчика и менее напряженный ритм работы его выходных каскадов. К недостаткам радиосвязи с ЧМ следует отнести необходимость более широкой полосы пропускания канала (приемники) связи, сложность реализации передатчиков и приемников ЧМ сигналов с требуемым качеством их передачи и приёма.