Физические основы радиосвязи

Из радиотехники известно, что для передачи информации посредством излучения электромагнитных волн нужно перенести спектр сигнала в область высоких радиочастот. В таком преобразовании низкочастотного сигнала и состоит сущность модуляции. Именно вид модуляции, используемый в канале радиосвязи, определяет структуру передатчика и приемника радиостанции, а также и параметры ее в целом. В каналах авиационной воздушной связи наибольшее распространение получили обычная амплитудная модуляция (AM) и однополосная амплитудная модуляция. Следует заметить, что наряду с указанными видами модуляции в радиостанциях МВ-диапазона используется минимальная частотная модуляция (например, в радиостанции ближней связи «Орлан»).

Обычная амплитудная модуляция широко применяется и в настоящее время в каналах авиационной связи, что объясняется простотой реализации всей радиостанции и небольшой шириной спектра излучаемых колебаний. АМ является основной при ведении телефонной и телеграфной связи экипажей ВС с радиостанциями аэропортов и другими ВС. Различают каналы радиосвязи с АМ на большом и малом уровнях мощности (рис. 1.3, а) модуляция производится в усилителе мощности (УМ), в который поступают несущее колебание частоты ω ₀ от возбудителя и прошедший через модулятор (Мод.) входной сигнал s(t) от микрофона. В этом случае назначение усилителя мощности состоит в том, чтобы при подаче на один его вход напряжения несущей частоты u_нес(t)=U₀cos (ω ₀t + φ ₀t), а на другой вход – низкочастотного модулирующего сигнала s(t)=u_мод(t)=U_Ω cosΩ t дать на выходе амплитудно-модулированное (АМ) колебание.

Временная математическая модель АМ-сигнала:

u_АМ(t)=U₀ [1+ms(t)] cos (ω ₀t+φ ₀),

где U₀, ω ₀, φ ₀ – амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания; s(t) – низкочастотное сообщение, подлежащее передачи по радиоканалу.

Выражение u_АМ(t) определяет операцию перемножения, которую в процессе модуляции выполняют модулирующие каскады передатчика.

Применив известную формулу произведения косинусов, можно перейти от временной модели АМ-сигнала к спектральной

,

где m = U_Ω /U₀ — коэффициент амплитудной модуляции, определяющий степень воздействия передаваемого сигнала на изменение амплитуды несущего колебания, т. е. глубину амплитудной модуляции.

Фильтр (Ф) после усилителя мощности выделяет полезный спектр модулированного сигнала перед подачей его в антенну и согласовывает выход УМ с антенной.

Приемная часть канала связи (см.рис. 1.9, в) состоит из супергетеродинного приемника. Выделение (фильтрация) полезных радиосигналов из совокупности других (мешающих сигналов) и помех, действующих на выходе антенны и не совпадающих по частоте с полезным сигналом, осуществляется частотно-избирательными устройствами приемника. Смеситель (СМ) и гетеродин (Гет.) приемника преобразуют частоту принятого сигнала в промежуточную частоту по закону f_пр=f_гет – f₀. В процессе преобразования частоты происходит перенос спектра сигнала G(f) в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его

Рисунок 1.9–Структурная схема канала связи с амплитудной модуляцией

составляющих. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) обеспечивает избирательность приемника по соседнему каналу и усиление преобразованного сигнала до уровня, необходимого для эффективной работы демодулятора. Роль демодулятора выполняет амплитудный детектор (Д). Операция демодуляции производится с целью выделения информации (модули­рующей функции), содержащейся в полезном радиосигнале. Одновременно в детекторе осуществляется устранение несущего высокочастотного колебания, являющегося переносчиком сообще­ния. Требуемый уровень выходных сигналов приемника создает усилитель звуковой (низкой) частоты (УЗЧ).

Управление амплитудой излучаемого сигнала в случае маломощного модулятора производится в усилителе напряжения (УН) до усилителя мощности. Поэтому канал с AM на малом уровне мощности (см. рис. 1.9, б)отличается только структурой передатчика. Вариант канала связи, приведенный на рис. 1.9, а, применяется, как правило, в бортовых МВ-радиостанциях, где режим AM — единственный, а приведенный на рис. 1.9, б— в радиостанциях диапазона ДКМВ и ГКМВ наряду с однополосной модуляцией.

Спектр АМ-сигнала (см. рис. 1.9, г ) содержит составляющую несущей частоты и две боковые полосы, по форме повторяющие спектр модулирующего сигнала, ограниченного частотами от -F_min до F_max. Полезную информацию несет любая из боковых полос спектра АМ-сигнала.

Несущие колебания не содержат информации. Это приводит к неэффективному использованию мощности передатчика. Даже при 100%-ной AM синусоидальным сигналом на долю несущей частоты приходится 2/3 средней мощности излучаемых колебаний. В каналах телефонной связи с AM средняя глубина модуляции не превышает 40%. При этом на несущие колебания передатчика приходится 90%. Следовательно, для передачи информации используется только 10% мощности передатчика. Это обстоятельство является недостатком амплитудной модуляции.

Следует отметить, что для канала с AM не требуется высокая стабильность несущей частоты, так как информация заключается только в изменении амплитуды. Однако не следует забывать, что допущение больших колебаний частоты несущей ведет к расширению полосы пропускания канала и, следовательно, к ухудшению помехоустойчивости. В то же время по сравнению с другими видами модуляции при всех прочих условиях полоса пропускания канала с AM наименьшая.

Таким образом, АМ-сигнал, содержащий обе боковые полосы спектра с одинаковой информацией о сигнале источника сообщений, является избыточным. Эта избыточность устраняется в каналах связи с однополосной модуляцией.

Однополосная амплитудная модуляция используется в каналах дальней связи в диапазонах ГКМВ и ДКМВ. В целях экономии мощности передатчика и уменьшения полосы частот излучаемого сигнала, что особенно важно для авиационной воздушной связи, ограничиваются излучением одной боковой полосы (ОБП) частот. В однополосных каналах связи передается только верхняя или нижняя боковая полоса спектра, а несущая AM не передается или передается только частично. Подавить несущую и одну из боковых полос можно, поставив фильтр на выходе амплитудного модулятора с очень резким срезом в окрестности несущей частоты. На практике для подавления несущей частоты применяют балансную модуляцию несущей и далее фильтруют боковую полосу. Но однополосный сигнал формируют на сравнительно невысокой поднесущей частоте (чаще на 500 кГц) для того, чтобы проще выполнить модуляцию и качественную фильтрацию. При тщательном балансе схемы балансного модулятора может быть получено подавление несущей частоты по отношению к максимальному уровню выходного сигнала до 40 дБ, но не менее 25...30 дБ. При этом уровень нелинейных искажений и побочных составляющих спектра на выходе не превышает допустимых значений. Выделение боковой полосы производится с помощью специальных фильтров (кварцевого или электромеханического — ЭМФ). Существующие кварцевые и электромеханические фильтры обеспечивают крутизну характеристики около 1000 дБ на 1% изменения частоты, а многозвенные LC -фильтры — около 100...150 дБ на 1%.

Максимальная амплитуда ОМ-сигнала на выходе устройства формирования не превышает обычно 1...2 В (при мощности в доли ватта). Далее сформированный однополосный сигнал путем час­тотных преобразований переносят в область рабочих несущих частот, попутно дополнительно фильтруя после каждого преобразо­вания частоты. Этот простейший способ формирования однополосного сигнала путем последовательных преобразований с фильтрацией не является единственным.

Связь исходного первичного сигнала источника сообщения s(t)=U_Ω (t) cos φ (t) и сигнала на выходе балансного модулятора с коэффициентом передачи k_БМ можно представить в виде:

где U_Ω (t) и φ (t) — амплитуда и фаза первичного сигнала.

Первое слагаемое этого выражения описывает колебание верхней боковой полосы, второе — нижней.

Выделение с помощью фильтрации только верхней боковой полосы дает однополосный сигнал.

Временная математическая модель ОМ-сигнала:

,

где k — коэффициент передачи тракта модулятор — фильтр.

Сравнив выражения s(t) и u_ом(t) можно сделать следующие выводы: колебание, содержащее одну боковую полосу - это колебание с амплитудной и фазовой (частотной) модуляциями и преобразование спектров сигнала мгновенная амплитуда однополосного сигнала с точностью до постоянного множителя воспроизводит мгновенную амплитуду модулирующего колебания изменение частоты однополосного сигнала относительно частоты ω ₀ равно мгновенной частоте Ω (t) модулирующего процесса, так как .

Рисунок 1.10 –Структурная схема передающей (а) и приемкой (б) частей канала радиосвязи с однополосной модуляцией

На рис. 1.10, а приведена схема передатчика с ОМ, в которой для формирования однополосного сигнала используется рассмотренный выше способ последовательных преобразований с фильтрацией, а на рис. 1.10, б — структурная схема приемной части канала связи с ОМ сигналов.

Сигнал с микрофона имеет спектр в диапазоне F=F_min — F_max. Этот сигнал проходит через усилитель звуковых частот и после усиления поступает на балансный модулятор БМ-1. Частота поднесущего колебания f₁» F_max.

При балансной модуляции образуется такой же сигнал, как и при AM, но с подавленной поднесущей f₁. Напряжение поднесущей с частотой f₁ поступает с синтезатора частот (СЧ), который выполняет функции возбудителя и гетеродина. Полосовой фильтр (ПФ-1) выделяет из спектра этого сигнала верхнюю боковую по­лосу частот. Далее в преобразователе частоты (в частности, в балансном модуляторе БМ-2(происходит изменение частоты колебаний ОМ-сигналов в область рабочих (несущих) частот f_с = f ₁ + f ₂ без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих. Преобразователь частоты кроме преобразующего элемента смесителя) включает в себя гетеродин и фильтр, выделяющий ОМ-сигнал. Усилитель мощности обеспечивает необходимое усиление однополосного сигнала перед подачей его на излучение через антенну А1.

В приемном устройстве (cм. рис. 1.10, б) путем гетеродинирования спектр ОМ-сигнала из высокочастотной области переносится в область звуковых частот. С этой целью принятый антенной А2 и усиленный в усилителе радиочастот (УРЧ) ОМ-сигнал подается на смеситель (СМ-1) вместе с напряжением частоты f ₂ от синтезатора СЧ. Фильтр однополостного сигнала (ФОС) выделяет требуемую полосу частот, соответствующую принимаемому сигналу. После усиления УПС однополосный сигнал попадает на демодулятор, в котором осуществляется выделение сообщения из сигнала и устранение несущего высокочастотного колебания, являющегося переносчиком сообщения. Важно отметить, что напряжение одной верхней боковой частоты этого сигнала u ₀ = (t) = kU _W (t) cos (w₀ + W) t представляет собой гармоническое колебание. Амплитудное детектирование подобного колебания дает постоянное напряжение, пропорциональное kU _W (t), частотное детектирование также дает постоянное напряжение частоте W. На выходе же детектора необходимо иметь переменные напряжения с частотой сообщения W). Следовательно, детектировать сигнал только одной боковой полосы частот обычными способами нельзя. Поэтому в приемнике нужно создавать искусственно несущую частоту f_c с помощью синтезатора частот, однако абсолютной погрешности технически достигнуть невозможно.

Вследствие стабильности частот возбудителя передатчика и опорного генератора в синтезаторе приемника частом колебания гетеродина, подводимого к демодулятору – когерентному детектору (КД), отличается от преобразованной частоты несущего колебания. Вследствие так называемого асинхронизма частоты выходных колебаний демодулятора отличаются от модулирующих частот в передатчике, что приводит к искажениям передаваемого сообщения.

Однако иногда небольшие искажения допустимы. Так, для воспроизведения речевого сообщения с требуемым условием разборчивости речи допускается разница между воспроизводимой частотой и частотой модуляции (150…250) Гц, а при наличии помех (обычных в каналах радиосвязи ДКМН) не более ± (50…100) Гц. Если считать, что нестабильность поровну распределена между передатчиком и приемником канала связи, то относительная нестабильность синтезатора частот ДКМВ – радиостанций должна на наибольшей частоте (30МГц) быть не хуже .

Если синтезатор частот не может обеспечить указанную нестабильность, то в канале связи применяют «пилот-сигнал», т.е. неполное подавление несущей в передатчике. Одновременно в приемнике радиостанции используют автоподстройку частоты гетеродина по «пилот-сигналу». Такая же мера необходима при доплеровском сдвиге несущей частоты, выдавливаемой высокой (сверхзвуковой) скоростью полета ЛА.

Таким образом, в модуляторе (в частности, смесителе СМ-2) с помощью напряжения частоты f ₁ производится преобразование сигнала, т.е. перенос спектра в область звуковых частот f ₁ + F – f ₁ = F. Усилитель звуковых частот выделяет сигналы в диапазоне от F _min до F _max , в результате чего на его выходе формируется исходный сигнал s (t) с точностью до погрешностей воспроизведения.

Полученный низкочастотный сигнал с выхода ЗЧ выдается потребителям. Специфическая особенность такого приемника состоит еще и в том, что постоянная времени фильтра АРУ должна быть достаточно большой (£ 10с) для устранения скачков усиления за счет пауз (последнее явление свойственно ДКМВ-диапазону).

Таким образом, сложность бортовой аппаратуры с однополосной модуляцией обусловлена, прежде всего, необходимостью подавления несущих колебаний в передатчике и последующего восстановления их в приемнике; высокой линейностью усилительного тракта, так как для неискаженного усиления однополосного сигнала требуется точная передача закона изменения как огибающей U _W(t), так и фазы j (t) этого сигнала, а также допустимым уровнем неполосных излучений, которые создаются при недостаточном подавлении в передатчике спектральных составляющих (несущая частота, вторая боковая полоса и т.п.).

Эффективность канала связи с ОМ по сравнению с каналом АМ заключается в том, что вся мощность передатчика или ее большая доля приходится на информационную часть спектра, что позволяет либо увеличить дальность связи при данной мощности передатчика, либо применить для обеспечения той же дальности действия менее мощный передатчик.

Другим преимуществом канала связи с ОМ является суженная в два раза полоса пропускания приемника, что соответственно повышает в два раза чувствительность приемного устройства канала связи.

В результате оба этих фактора приводят к тому, что энергетический потенциал канала ОМ увеличивается в 2, 8 раза по сравнению с дальностью пи АМ. В результате указанных преимуществ однополосного сигнала ДКМВ в радиостанциях оставлен только однополосный режим радиосвязи. Проводятся исследования по переводу на однополосный режим радиосвязи в метровом диапазоне волн.

Аналоговый канал с минимальной частотной модуляцией (МЧМ) сигналов применяется для связи между ЛА и наземными диспетчерскими пунктами в автоматизированных системах УВД. В качестве наземных радиостанций АС УВД используют радиостанции типа «Полет», а в качестве бортовых – радиостанции типа «Орлан». В радиостанциях «Полет2 и «Орлан» используется МЧМ-сигнал, представляющий собой сумму квадратурных составляющих, каждая из которых может рассматриваться как сигнал с фазовой модуляцией. Таким образом, информативным параметром МЧМ-сигнала является его фаза с двумя значениями (0; П) для каждой составляющей. Причем смена фаз для одной из них происходит в четные, а для другой – в нечетные интервалы, т.е. в интервалы длительностью 2Т (Т – длительность тактового интервала).

Качество работы канала связи определяется качеством передачи и приема информации, а также затратами на канал связи. В каналах радиосвязи на качество работы оказывают непосредственное влияние помехи, действующие в линии связи, нестабильность и не идеальность различных характеристик устройств, не идеальность характеристик линии радиосвязи.

Для оценки качества работ канала связи используют показатели, одни из которых являются информационными, а другие техническими.

К информационным характеристикам канала относятся скорость передачи информации, достоверность (т.е. точность воспроизведения сообщения в месте приема) и пропускная способность канала связи.

Основными техническими параметрами канала свя являются: уровень и частотный диапазон входного сигнала, необходимое превышение уровня сигнала над уровнем помех, вид и параметры модуляции, способ демодуляции, диапазон несущих частот радиоканала и стабильность несущей частоты, мощность излучения передатчика и чувствительность приемника, избирательность и ширина полосы пропускания радиоканала, уровень сигнала на входе приемника, линейные (частотные) и не линейные искажения сигнала, уровень рабочих излучений передатчика, эти, и параметры антенных устройств, уровень затухания сигналов в линии связи и характер распространения радиоволн и др.

Технические показатели радиоканала связи могут быть дополнены технико-экономическими (стоимость, потребление энергии, габариты, масса) и технико-эксплуатационными (надежность, ремонтопригодность, удобство эксплуатации и мобильность, контролепригодность) характеристиками.

Следует отметить, что мощность передающего и чувствительность приемного трактов радиостанции – один из основных параметров, определяющих дальность радиосвязи. Мощность передатчиков бортовых радиостанции зависит от назначения и рабочего диапазона частот и находится в пределах 5…400 Вт.

Чувствительность приемников бортовых радиостанций составляет 3…15 мкВ при телефонной связи и 0, 3…5 мкВ при приеме телеграфных сообщений.

Кроме того, время переключения аппаратуры с режима «Прием» на режим «Передача» и обратно в телефонном режиме не должно превышать 0, 5 с. Радиостанции должны работать непрерывно в течение суток при соотношении временной работы в режиме «Прием» и в режиме «Передача» 4: 1. Необходимо также иметь устройство встроенного контроля для автоматической проверки функционирования передатчика и приемника и выдачи сигнала готовности к работе или об отказе аппаратуры.