ШИМ, получается импульсный сигнал, модулированный по длительности. ГКИ генерирует импульсы, положение которых синхронизировано с задними фронтами импульсов с ШИМ. В результате на входе умножителя частоты формируется сигнал с фазо-импульсной модуляцией. В качестве умножителя частоты может быть использован генератор с внешним возбуждением, контур которого настраивается на n-ю гармонику импульсной последовательности ГКИ. Таким образом, на выходе устройства получаем гармонический сигнал с фазовой модуляцией. Поскольку модулирующий сигнал проходит на вход ШИМ через интегрирующую RC цепь, ФМ преобразуется в ЧМ.Если бы пилообразное напряжение ГПН имело идеальную форму с вертикальным передним фронтом, положение импульсов ГКИ можно было бы менять в пределах всего периода средней (несущей) частоты. При этом индекс модуляции составил бы 3,14 радиана. Реально же, вследствие конечной длительности фронта, удаётся получить индекс порядка 2,6 радиан. С помощью умножителя индекс частотной модуляции увеличивается соответственно в n раз. Благодаря линейному нарастанию пилообразного напряжения такое устройство обеспечивает высокое качество частотной модуляции (минимальные нелинейные искажения).Определим необходимую кратность умножения частоты при использовании такого модулятора для УКВ-ЧМ радиовещания. Согласно ГОСТ девиация частоты на выходе передатчика должна составлять 50 кГц [16]. Это означает, что на нижней звуковой частоте 30 Гц индекс ЧМ составит 1667 радиан, а необходимая кратность умножения частоты n=1667/2,6=641 раз. При такой кратности умножения и большой величине индекса модуляции, спектры соседних гармоник, также модулированных по частоте, начинают перекрываться. Отделить помеху основному сигналу становится невозможно, и она воспринимается как повышенный уровень шумов.По мере ужесточения требований к допустимому уровню шумов от косвенных методов ЧМ в радиовещании пришлось отказаться. В современных разработках радиовещательных передатчиков исключительное применение находят прямые методы частотной модуляции с автоподстройкой средней частоты по опорному генератору. Радиопередатчики цифровой информации Исторически передача информации на расстоянии впервые осуществлялась (в современном понимании) именно в цифровой форме. Таковыми безусловно были «азбука» Морзе, телеграфный код Боде, при использовании которых передача информации осуществлялась в виде последовательности токовых и безтоковых посылок. В современном понимании цифровой сигнал это последовательность элементарных символов, обозначаемых как «0» и «1», сочетание которых в определённом порядке (коде) позволяет зашифровать и передать практически любую информацию. Элементарный символ получил название «
бит», а группа символов из 8 битов (23) образовали своеобразное слово «байт». 1024 байта (210) назвали «килобайт»; 210 килобайт – «мегабайт», и т.д. - «гигабайт», «терабайт»….Скорость передачи цифровой информации оценивается числом битов (байтов) передаваемых в секунду. Единица измерения скорости при телеграфии получила название «бод» (бит/с). В литературе, посвящённой передаче цифровой информации, на ряду с термином бод используются термины бит/с, кбайт/с и т.д.. Следует иметь в виду, что в современных телекоммуникационных системах понятие бод и бит/с не совпадают, т.к. в таких системах одному символу могут соответствовать десятки – сотни битов инфор-мации. Кроме этого, бодами выражают полную ёмкость канала, включая служебные символы (биты), если они есть. Эффективная же скорость канала выражается, например битами в секунду (бит/c, bps), несущими основную информацию.Для передачи цифрового сигнала по радиоканалу его необходимо перенести на несущую частоту. Этот процесс осуществляется аналогично модуляции и называется «манипуляция» (используется и термин «телеграфия»). Соответственно возможна амплитудная телеграфия (АТ), частотная (ЧТ), фазовая (ФТ). Возможны и комбинированные способы манипуляции, например амплитудно-фазовая. Амплитудная манипуляцияАмплитудная манипуляция, именуемая в зарубежной и переводной литературе как ASK (amplitude switching key), относится к простейшему виду манипуляции, применяемому в очень редких, как правило, экстремальных ситуациях.На рисунке 11.1 представлена форма спектра исходного информационного сигнала для случая периодической и случайной последовательностей 0 и 1. В первом случае спектр цифрового сигнала имеет дискретный характер, в котором отсутствуют гармоники битовой частоты F=1/T (или чётные гармоники частоты импульсной последовательности F/2). Во втором случае, спектр - сплошной. При этом огибающая спектра описывается выражением 11.1. (11.1) Рисунок 11.1 – Спектры битовой последовательностиСпособ осуществления АТ иллюстрируется рисунком 11.2 и заключается по существу в амплитудной модуляции несущего колебания импульсным сигналом.
Рисунок 11.2 – Амплитудная манипуляция Спектр импульсов прямоугольной формы теоретически бесконечен и не пригоден для передачи по каналам с ограниченной полосой. Поэтому импульсы «скругляют» существенно ограничивая полосу их спектра с помощью фильтров нижних частот. В качестве таких фильтров часто используют фильтры с «гауссовской» характеристикой, которые превращают прямоугольные импульсы в колоколообразные, как показано на рисунке 11.3.Спектр амплитудной манипуляции формируется также как спектр амплитудной модуляции.Рисунок 11.3 – Спектры при амплитудной манипуляции В передатчике амплитудную манипуляцию осуществляют одновременно в двух ступенях усилительного тракта по цепи смещения на управляю- щем электроде АЭ. Это необходимо в связи с тем, что при манипуляции одной ступени на управляющем электроде АЭ остаётся немодулированное напряжение возбуждения, которое через проходную ёмкость закрытого АЭ проходит к последующим усилительным каскадам и в результате значительного усиления может полностью перекрыть паузу между радиоимпульсами. При манипуляции в двух ступенях на входе второй из них возбуждение практически отсутствует; в результате обеспечивается надежное запирание в паузах всего передатчика.Режим работы усилительных каскадов передатчика при АТ выбирают слабо перенапряжённым, в котором происходит ограничение сигнала по амплитуде выходного напряжения. Тем самым обеспечивается стабильность уровня радиоимпульсов и устраняется фоновая модуляция по управляющему электроду АЭ. При этом, однако, существенно повышаются требования к характеристикам источника коллекторного питания выходной ступени, т.к. переходные процессы в фильтре выпрямителя могут привести к значительному искажению формы радиоимпульса, а при колебательном переходном процессе возможно даже его дробление. Эта особенность иллюстрируется рисунком 11.4.Рисунок 11.4 – Переходный процесс в источнике
коллекторного питания К достоинствам АТ можно отнести простоту практической реализации. Основной недостаток - очень низкая помехоустойчивость, т.к. в паузах радиосигнала помеха может изменить значение бита информации ( например, с 0 на 1). Частотная манипуляцияПри частотной манипуляции (ЧТ, FSK) 0 и 1 соответствуют различные значения несущей частоты при постоянной амплитуде. Отсутствие пауз в сигнале существенно повышает отношение сигнал/помеха, что и определяет преимущество ЧТ перед АТ.Простейший вариант реализации ЧТ представлен на рисунке 11.5.Рисунок 11.5 – Частотная манипуляцияТелеграфный ключ S в соответствии с последовательностью 0 и 1 переключает на вход усилителя мощности частоты генераторов f1, f2. Причём 0 обычно соответствует меньшая из них. Поскольку генераторы в такой схеме работают независимо друг от друга, в момент перехода от одной частоты к другой происходит скачкообразное изменение фазы, т.е. помимо частотной манипуляции возникает паразитная фазовая манипуляция. Это приводит к заметному расширению полосы частот занимаемых сигналом.На практике используется другая схема ЧТ, в которой исключается разрыв фазы в момент изменения частоты. Такая схема представлена на рисунке 11.6.Рисунок 11.6 – Схема ЧТ без разрыва фазы На вход смесителя (СМ) от высокостабильного возбудителя подаются две частоты f и Δf. На выходе смесителя получают две частоты со сдвигом 2Δf. Информационный битовый поток переключает эти частоты с помощью электронного коммутатора (ЭК). В результате на выходе ЭК ( в узле «а»)частотная манипуляция ни чем не отличается от ЧТ в схеме на рисунке 11.5, т.е. манипуляция происходит с разрывом фазы. Чтобы устранить скачки фазы в моменты перехода с одной частоты на другую, в схему введён управляемый автогенератор (ГПД), частота которого приводится к частотам f ±Δf c помощью системы автоподстройки, включающей смеситель (СМ), фильтр нижних частот (Ф) и управляющий элемент (
УЭ). Аналогичные системы автоподстройки частоты уже рассматривались в разделах 5 и 9.Поскольку контур автогенератора является инерционной системой, напряжение на его выходе не может измениться скачком при смене частоты. В результате паразитная фазовая модуляция устраняется.Для анализа спектра частотной манипуляции представим сигнал
ЧТ в виде суммы двух сигналов с амплитудной манипуляцией (см. рисунок 11.7) на разных несущих частотах. Спектр каждого из этих сигналов нам известен из раздела 11.1. Суммируя спектры сигналов с
АТ, получим спектр частотной манипуляции.Рисунок 11.7 – Спектр частотной манипуляции Анализируя спектр
ЧТ, можно сделать вывод, что сдвиг частот
2Δf не должен превышать полосы частот, занимаемых спектром составляющих его сигналов
АТ’ и
АТ”. В противном случае, наложение спектров
0 и
1 друг на друга будет создавать взаимные помехи при приёме.Наложение спектров допустимо лишь в случае ортогональности сигналов
АТ’ и
АТ”на интервале
Т. Для этого необходимо выполнить условиеВычисляя интеграл, получимПоскольку (
ω2+ω1)
>> (
ω2 -ω1)
, вторым слагаемым в полученном выражении можно пренебречь. В результате получаем условие ортогональности (взаимной независимости) сигналов
АТ’ и
АТ” в виде
.sin2π(
f2 -f1)
T = sin4πΔf∙T=0 или
2Δf=n/2T (11.2)Здесь
n – любое целое число. Таким образом, минимальный сдвиг частот, при котором обеспечивается ортогональность сигналов
АТ’ и
АТ” равен
1/2Т (напомним, что
Т – длительность элементарной посылки).Частотная манипуляция с таким сдвигом частот получила название «минимальная частотная манипуляция» (
MSK). Этот вид манипуляции широко используется в системах мобильной радиосвязи (
GSM, DECT).
При передаче двух сообщений методом
ЧТ в соседних каналах, передатчик излучает одновременно две частоты из четырёх, принадлежащих разным каналам. В результате биения этих частот, возникает амплитудная модуляция выходного колебания. Таким образом, как и при амплитудной модуляции, такая двухканальная манипуляция приведёт к существенному снижению помехоустойчивости приёма, т.е. будет утрачено основное достоинство частотной манипуляции.