Способи модуляції сигналів радіорелейних СП

Модуляція - це процес, в результаті якого змінюються параметри несучого коливання залежно від рівня переданого сигналу. Модуляція може бути 2-ох типів: амплітудна і кутова. При проектуванні РРС, так само як і при проектуванні будь-якої СП, необхідно вибрати такий вид модуляції, який був би найзручнішим з точки зору забезпечення необхідної якості передачі, технічних можливостей та собівартості.

При амплітудній модуляції передача інформації здійснюється за рахунок зміни амплітуди несучого коливання. Під час передачі інформації в тропосфері відбувається зміна рівня прийнятого сигналу, що може спричинити небажані зміни рівня сигналу після демодуляції. Для того щоб за можливістю виключити ці зміни, можливо використовувати підсилювачі, коефіцієнт підсилення яких регулюється в визначених межах. Крім того, на якість передачі при цьому виді модуляції значною мірою впливає нелінійність амплітудних характеристик різних елементів апаратури. Однак створення передавачів і приймачів з високим коефіцієнтом підсилення та з ідеальною лінійною амплітудною характеристикою в широкій смузі частот належить до числа досить складних проблем. Забезпечити одночасно високий коефіцієнт підсилення та ідеальну лінійну амплітудну характеристику практично хоча й важко, однак можливо. Саме тому в більшості випадків намагаються відмовитися від застосування амплітудної модуляції при передачі інформації за допомогою РРС.

Майже у всіх аналогових РРС використовується кутова модуляція, що не має перерахованих недоліків. При кутовій модуляції передача інформації здійснюється шляхом зміни фази та частоти несучого коливання. Передана інформація в цьому випадку не спотворюється при зміні потужності несучої, і рівень сигналу після демодуляції майже не залежить від умов розповсюдження. Крім того, при такому виді модуляції нелінійність амплітудної характеристики системи не дуже впливає на якість передачі і ті зміни, які можуть виникати через нелінійність фазової характеристики, можуть бути досить легко усунені. Нарешті, при такому виді модуляції, забезпечується добрий захист від шумів і різних спотворень. Однак серйозним недоліком кутової модуляції варто вважати те, що для передачі одиниці інформації необхідний ширший спектр частот, ніж при амплітудній модуляції.

Розрізняють 2 види кутової модуляції, які дещо відрізняються між собою. При фазовій модуляції встановлюються визначені співвідношення між фазою і рівнем модулюючого сигналу. При частотній модуляції встановлюється визначене співвідношення між g (t) відхиленням (девіацією) частоти f (t) і рівнем сигналу, що модулює. Однак щоб спростити модулятори та демодулятори та забезпечити необхідну якість передачі в РРС, звичайно використовується частотна модуляція.

Для модулюючого сигналу частотою f індекс частотної модуляції m = Δ F ₀/ f. Цей індекс є функцією частоти модулюючого сигналу. Отже, несуча, модульована синусоїдальним сигналом,

.

Використовуючи функцію Бесселя J_i (m), цей вираз можна розкласти в ряд:

(4)

Тут ми маємо лінійний спектр для частот F ₀ ± nf. Форма цього спектра в значній мірі залежить від індексу частотної модуляції. При малому індексі частотної модуляції J ₀(m)» 1 й J ₁(m)» m /2. Іншими членами ряду практично можна знехтувати. Спектр складається з несучої, розташованої між двома бічними складовими. Якщо індекс частотної модуляції збільшується, то з’являються складові вищого порядку й ширина спектра збільшується (рис. 8). Для m = 2,4048 основна складова спектра (несуча) стає рівною нулю.

Рис. 8. Зміна ширини спектра від індексу частотної модуляції

Модуляція багатоканальним телефонним і телевізійним сигналами. Основне завдання полягає в точному розрахунку ширини спектра модульованої несучої. Тоді, виходячи із цього, можна визначити найбільш прийнятні з технічної точки зору способи фільтрації та розподілу декількох модульованих несучих на одному інтервалі відповідно до планів частот. Смуга, що займає несуча модульована по частоті багатоканальним телефонним або телевізійним сигналом, теоретично нескінченна. Практично для кожної системи ширина смуги частот сигналу визначається експериментально залежно від рівня припустимих спотворень. Смуга, необхідна для передачі цих сигналів при визначеному припустимому рівні спотворення, обчислюється за напівемпіричною формулою Карсона:

, (5)

де ∆ F _макс – максимальна девіація частоти; вона залежить від пікової напруги модулюючого сигналу і від коефіцієнта пропорційності, що встановлює певне співвідношення між рівнем цього сигналу та девіацією частоти; f _макс – максимальна частота модулюючого сигналу.

При наявності в системі кількох передавачів і приймачів смуга пропускання системи, звичайно, повинна бути значно ширшою за смугу пропускання, обчислену за формулою Карсона.

Спектр несучої, модульованої аналоговим багатоканальним телефонним сигналом. Якщо максимальна частота f _макс – відома величина, то девіація частоти завжди випадкова величина. Визначити максимальну девіацію частоти досить важко. Будемо вважати, що Δ F _макс така величина, що не може бути перевищена протягом більше ніж 10^-3 від часу роботи в години максимального завантаження.

Тепер, як приклад, обчислимо за формулою Карсона смугу пропускання РРС, що передає сигнали до 1800 телефонних каналів, використовуючи ті технічні дані, які наведені в описі системи: F _макс = 8204 кГц; середня потужність багатоканального телефонного сигналу дБм₀; максимальна потужність приблизно на 10,2 дБм₀ більша середньої потужності і становить 27,8 дБм₀, тобто 600 мВт; в сучасних РРС потужність випробувального синусоїдального сигналу, виміряна в точці відносного нульового рівня, дорівнює 1 мВт; ефективна девіація частоти при такій потужності сигналу становить 140 кГц (значення, рекомендоване МСЕ-Р). Смуга пропускання В _с обчислюється за формулою Карсона за умови, що максимальна девіація частоти змінюється пропорційно напрузі, тобто пропорційно кореню квадратному з потужності сигналів: кГц; МГц.

Якщо порівняти ширину смуги, обчислену за формулою Карсона, із шириною смуги, займаною сигналом до модуляції, що становить 8,2 МГц, то неважко встановити, що серйозним недоліком частотної модуляції слід вважати більшу ширину частотного спектра.

Теоретично досить важко розрахувати форму спектра несучої, модульованої багатоканальним телефонним сигналом. Форма спектра залежить від коефіцієнта пропорційності, тобто від ефективної девіації частоти, обумовленої випробувальним сигналом 1 мВт в точці відносного нульового рівня. При дуже малій девіації частоти енергія концентрується поблизу несучої. При дуже великій – ширина спектра збільшується, а рівень несучої знижується.

Спектр несучої, модульованої телевізійним сигналом. Максимальну девіацію частоти у цьому випадку визначити неважко, тому що розмах сигналу від піку до піку є відома величина. Для більшості систем максимальна девіація частоти при передаванні телевізійного сигналу становить 4 МГц. На рис. 9 зображений частотний спектр сигналу, модульованого телевізійним сигналом і сигналом звукового супроводу, при Δ f _разм= 8 МГц, піднесуча сигналу колірності – 4,43 МГц, піднесуча звукового супроводу – 7,5 МГц.

Рис. 9. Частотний спектр сигналу, модульованого ТВ-сигналом і сигналом звукового супроводу.

Вибір основних параметрів модуляції. Частота модульованого коливання. Можна безпосередньо модулювати високочастотну несучу. Однак при такому способі модуляції важко забезпечити високу стабільність частоти. Крім того, при безпосередній модуляції переданого сигналу необхідно використовувати різні принципи побудови приймально-передавальної апаратури на кінцевих станціях, де сигнал демодулюється, і на проміжних станціях, де сигнал, як правило, не демодулюєтся. Тому в загальному випадку модуляція сигналу і його підсилення виконуються окремо. Як правило, модуляція здійснюється на проміжній частоті (ПЧ). В результаті перетворення ПЧ у передавачі одержують високочастотний сигнал, що при демодуляції знову перетвориться в сигнал ПЧ. Це перетворення здійснюється в приймачі. При виборі ПЧ доводиться приймати компромісне рішення. В разі, коли ПЧ дуже висока, то практично досить важко побудувати підсилювач на такій частоті. Якщо ж ПЧ дуже низька, виникають певні технічні складнощі під час виготовлення фільтрів. Крім того, у цьому випадку необхідно забезпечити ідеальну лінійну амплітудну характеристику модулятора-демодулятора (модему). Для більшості систем прийнята ПЧ, рівна 70 МГц (міжнародне стандартне значення). Однак для РРС, що передає сигнали 2700 телефонних каналів, вибирається ПЧ, яка дорівнює 140 МГц.

Девіація частоти. Під час вибору девіації частоти, обумовленої випробувальним сигналом, або ж, інакше кажучи, індексу модуляції доводиться приймати визначені компромісні рішення. При великій девіації частоти збільшується ширина смуги, що обчислюється за формулою Карсона. Це означає, що:

- потрібно ширший спектр в області високих частот;

- збільшується рівень спотворень, що неминуче виникають при ускладненні схеми модема, що повинен забезпечувати ідеальну лінійну амплітудну характеристику в дуже широкій смузі частот;

- підвищується чутливість сигналу до селективних завмирань, що виникають при багатопроменевому поширенні радіохвиль.

Тому при збільшенні кількості телефонних каналів, що використовуються для передачі сигналів за допомогою РРС, доводиться зменшувати девіацію частоти, обумовлену випробувальним сигналом. Нижче наведені співвідношення пропускної здатності системи (числа телефонних каналів) і ефективної девіації частоти, обумовленої вимірювальним сигналом (1 мВ в точці відносного нульового рівня), що відповідають міжнародним нормам:

600...200 кГц, 1200...200 кГц, 1800...140 кГц, 2700...140 кГц.

Навпаки, при виборі дуже малої девіації частоти погіршується відношення сигнал/тепловий шум, одержане після демодуляції сигналу в телефонних каналах або в смузі відеочастот. Можна показати, що практично відношення сигнал/тепловий шум змінюється пропорційно (кореню квадратному з девіації частоти).

Контрольні питання:

1. Від чого залежить ослаблення радіохвиль у вільному просторі?

2. Дайте визначення множника ослаблення поля вільного простору.

3. У чому полягає вплив тропосфери на поширення радіохвиль?

4. Що таке рефракція та інтерференція радіохвиль?

5. Дайте визначення еквівалентного радіуса Землі.

6. Перелічіть основні види рефракції радіохвиль.

7. Назвіть основні види ослаблення радіохвиль у тропосфері.

8. Як впливає відбиття радіохвиль від гладкої поверхні Землі на множник ослаблення в межах прямої видимості?

9. Від чого залежить коефіцієнт відбиття радіохвиль від земної поверхні?

10. Як враховується вплив рельєфу місцевості на поширення радіохвиль на відкритих трасах?

11. Як визначається потужність сигналу на вході приймача РРС із урахуванням множника ослаблення?

12. Назвіть основні принципи вибору аналогової модуляції.

13. Назвіть основні принципи частотної і фазової модуляції.

14. Зробіть порівняльний аналіз модуляції багатоканальними телефонними та телевізійними сигналами.

15. Поясніть зміст формули Карсона.

Розробив:

доцент КІ

к.т.н., доцент Слюсар І.І.

Дата добавления: 2014-01-04