Основы радиосвязи

В канале радиосвязи используется поле электромагнитных волн, для возуждения которых служит передающая антенна. Если ток в антенне и ее размеры ограничены, то дальность связи находится в прямой зависимости от частоты изменения тока в антенне. В этом одна из причин того, что по каналу радиосвязи передаются только высокочастотные колебания. Низкочастотный сигнал управляет одним из параметров этих колебаний (амплитудой , частотой или фазой ):

, (1.1)

где - начальная фаза.

Высокочастотные колебание как бы несет на себе информацию и называется несущим, а его частота – несущей частотой .

Процесс управления каким-либо параметром высокочастотного колебания с помощью низкочастотного сигнала называется модуляцией. Различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции в зависимости от того, каким параметрам несущего колебания управляет низкочастотный сигнал – амплитудой, частотой или фазой.

Найдем спектр АМ колебания при гармоническом модулирующем сигнале (рис. 1.1, а):

(1.2)

Колебания несущей частоты изменяется по закону:

, (1.3)

где для упрощения принято, что .

В процессе модуляции изменяется амплитуда несущей частоты (рис.1.1, б):

, (1.4)

где - амплитуда немодулированного колебания,

,

где - коэффициент передачи модуляционного устройства.

Подставляя (1.5) в (1.4), получим:

(1.5)

где (1.6)

-коэффициент амплитудной модуляции.

Таким образом, спектр АМ колебаний при гармоническом модулирующем сигнале состоит из трех составляющих (рис.1.1 в): несущей частоты , нижней боковой частоты () и верхней боковой частоты (). Амплитуды составляющих зависит от коэффициента модуляции m.

Обычно амплитуда неизвестна, поэтому коэффициент модуляции проще определять по формуле (см.рис.1.1)

(1.7)

Рис.1.1. Амплитудная модуляция гармоническим сигналом:

а – модулирующий сигнал; б – модулированные колебания; в – спектр модулированных колебаний.

Если модулирующий сигнал сложный и содержит составляющие с частотами от до , то каждой из них соответствует своя составляющая нижней и верхней боковых частот модулированного колебания. Поэтому спектр АМ колебаний в общем случае содержит две боковые полосы частот (рис.1.2). Следовательно, ширина спектра сигнала в канале радиосвязи в два раза больше, чем ширина спектра модулирующего сигнала.

Разновидностью амплитудной модуляции является импульсная модуляция (рис.1.3). Модулироваться может любой параметр импульсов: () и т.д. Эти виды модуляции применяются в телеметрии и системах управления.

Рис.1.2 Схематическое изображение спектра колебаний, модулированных по амплитуде сложным сигналом

Рис. 1.3 Импульсная модуляция

При частотной и фазовой модуляциях амплитуда несущих колебаний остается постоянной, изменяется только частота или фаза (рис.1.4). Графические изображения ЧМ и ФМ при гармоническом модулирующем сигнале совпадают. Между частотой и фазой существует соотношение:

Рис. 1.4. Частотная модуляция гармоническим сигналом:

а - модулирующий сигнал; б - модулирование колебания.

(1.8)

Поэтому ЧМ и ФМ колебания могут быть представлены в виде:

(1.9)

В случае частотной модуляции гармоническим сигналом:

(1.10)

Величина, где - коэффициент передачи частотного модулятора, называется девиацией частоты, а отношение

(1.11)

называется индексом частотной модул ции

Спектр ЧМ колебаний может быть получен, если воспользоваться бесселевыми функциями для разложения в ряд Фурье колебания вида (1.10). Можно показать, что при ширина спектра равна удвоенной девиации частоты:

(1.12)

При малых спектры ЧМ и АМ колебаний аналогичны.

Блок – схема канала радиосвязи представлена на рис.1.5. Процессы, протекающие при амплитудной модуляции гармоническим сигналом, иллюстрируются графиками напряжений и их спектрами, приведенными на рис. 1.6 (цифры на графиках соответствуют обозначениям на рис.1.5).

Несущее колебание вырабатывается генератором высокой частоты ГВЧ. Амплитудная модуляция осуществляется в модуляторе М, куда поступает напряжение от источника сигнала ИС. Модулированный по амплитуде ток несущей частоты с помощью антенны возбуждает в окружающем антенну пространстве электромагнитное поле. Цепь тока замыкается через емкость антенна – земля или через емкость между двумя изолированными друг от друга элементами антенны.

Напряженность поля изменяется так же, как и ток в передающей антенне. Поэтому и ЭДС, наводимая электромагнитным полем в приемной антенне , изменяется по тому же закону. Детектор Д, состоящий из выпрямителя В и фильтра Ф, выполняет операцию детектирования, т.е. выделения из принятых модулированных колебаний низкочастотного сигнала.

При детектировании образуются модулированные по амплитуде косинусоидные импульсы тока. Информация в данном случае заключена в составляющей с частотой F спектра импульсов и выделяется фильтром Ф, который пропускает полосу частот . Отделяя постоянную составляющую сигнала с помощью конденсатора, можно выделить монохроматическое колебание частоты F. Последнее в оконечном устройстве ОУ (например, динамическом громкоговорителе) преобразуется в передаваемое сообщение.

Рис.1.5. Блок – схема канала радиосвязи

При детектировании образуются модулированные по амплитуде косинусоидные импульсы тока. Информация в данном случае заключена в составляющей с частотой F спектра импульсов и выделяется фильтром Ф, который пропускает полосу частот . Отделяя постоянную составляющую сигнала с помощью конденсатора, можно выделить монохроматическое колебание частоты F. Последнее в оконечном устройстве ОУ (например, динамическом громкоговорителе) преобразуется в передаваемое сообщение.

Показанные на рис.1.5 элементы являются принципиально несходимыми, без них радиосвязь невозможна. Обычно передатчик и приемник усложняют.

Так, например, для обеспечения заданной дальности связи перед антенной включают усилитель мощности. В приемник после антенны вводят усилитель высокой частоты (УВЧ), а после фильтра – усилитель низкой частоты (УНЧ).

Рис. 1.6. Графики напряжений и спектры сигналов в канале радиосвязи. Цифры у графиков соответствуют точкам на рис.1.5.