XI.ПОМЕХОУСОЙЧИВОСТЬ ПРИЕМНИКА И ОПТИМАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПРИЕМА. ОСОБЕННОСТИ ПРИЕМНИКОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

В теории показано, что спектр частотно-модулированных сигналов теоретически бесконечен. Практически можно не учитывать весьма слабые составляющие этого спектра, лежащие вдалеке от средней частоты, и считать спектр частотно-модулированного колебания ограниченным. Е.И.Манаев вывел простую формулу для приближенного определения ширины спектра ЧМ-колебаний П_чм:

,

(11.1)

где F - частота модуляции, Y =Df/F - индекс частотной модуляции, Df - максимальная амплитуда частотного отклонения ЧМ-колебания (девиация частоты).

При Y < 1 (случай однополосной модуляции):

,

(11.2)

при Y>>1 (случай широкополосной частотной модуляции):

.

(11.3)

Таким образом, спектр ЧМ-колебания существенно зависит от индекса модуляции. При узкополосной ЧМ ширина спектра сигнала соответствует ширине спектра сигнала при амплитудной модуляции. В случае широкополосной модуляции спектр ЧМ-сигнала равен удвоенной девиации частоты.

Частотная модуляция применяется для служебной радиотелефонной связи и в радиовещании.

Основные преимущества частотной модуляции по сравнению с амплитудной модуляцией:

– увеличивается помехозащищенность;

– повышается использование мощности передатчика;

– улучшаются качественные показатели передачи (динамический диапазон, расширяется спектр передаваемых частот).

Структурная схема приемника ЧМ-сигналов может быть представлена следующим образом.

U_вых

Рис.11.1 Структурная схема приемника ЧМ-сигналов

Как видно из приведенной структурной схемы, ЧМ-приемник отличается от приемника АМ-сигналов, тем, что в нем применяется вместо амплитудного детектора частотный детектор. Перед частотным детектором для устранения паразитной амплитудной модуляции устанавливается ограничитель амплитуды.

Напряжение на выходе частотного детектора равно:

,

(11.4)

где S_д - крутизна характеристики частотного детектора, Df - частотное отклонение сигнала относительно средней частоты спектра ЧМ-сигнала.

11.1 Помехоустойчивость ЧМ-приема при гармонической помехи

Векторная диаграмма соответствует случаю большого отношения сигнал/шум, т.е.:

,

(11.5)

где U_с - амплитуда сигнала, U_п - амплитуда помехи.

Конец результирующего вектора будет двигаться по окружности с частотой F₁, равной:

,

(11.6)

где f_с - частота сигнала, f_п - частота помехи.

Таким образом, под действием помехи результирующий сигнал оказывается промодулированным как по амплитуде, так и по фазе.

Наибольший угол отклонения результирующего вектора, являющийся индексом паразитной частотной модуляции, равен:

.

(11.7)

При достаточно большом превышении сигнала над помехой (К>>1) последнее выражение можно представить в виде:

,

(11.8)

так как при малых индексах паразитной модуляции справедливо соотношение .

Паразитная амплитудная модуляция устраняется ограничителем.

Определим величину отношения сигнал/шум на выходе частотного детектора, считая, что сигнал промодулирован по частоте гармоническим сигналом с индексом модуляции равным Y_с.

В соответствии с определением индекса частотной модуляции, девиация частоты за счет полезной и паразитной частотных модуляций можно представить следующим образом:

, .

(11.9)

Отношение сигнал/помеха на выходе частотного детектора при этом равно:

.

(11.10)

Благодаря ограничителю отношение сигнал/помеха на выходе частотного детектора в Df_c/F₁ раз больше, чем на входе приемника ЧМ-сигналов.

Можно оценить величину выигрыша в отношении сигнал/помеха как отношение сигнал/помеха на выходе приемника к отношению сигнал/помеха на входе:

.

(11.11)

Величина выигрыша обратно пропорциональна разности частот сигнала и помехи.

Разность частот F₁ за счет фильтрации сигнала до частотного детектора не может быть больше F_max, поэтому минимальная величина выигрыша равна:

.

(11.12)

Таким образом, минимальная величина выигрыша равна индексу частотной модуляции.

Основным недостатком при применении ЧМ является снижение отношения сигнал/помеха с увеличением разностной частоты между сигналом и помехой. С целью того, чтобы обеспечить хорошее отношение сигнал/помеха при приеме ЧМ-сигналов применяется метод предискажений. Для этого на передающем конце повышают уровень высоких частот в передаваемом сигнале, другим словами за счет предискажений увеличивается отношение сигнал/помеха на высоких частотах. При приеме сигналов для того, чтобы обеспечить его неискаженный прием, устанавливают на выходе частотного детектора интегрирующее звено, с помощью которого снижают уровень высоких частот. Тем самым устраняются предварительные искажения сигнала.

За счет применения предварительных искажений отношение помеха/сигнал остается на одном и том же уровне в области высоких частот (на рисунке эта зависимость показана пунктирной линией).

11.2 Помехозащищенность при флуктуационной помехе

Предположим, что помеха представляет собой белый шум с нормальным распределением амплитуд и постоянной спектральной плотностью B в полосе приема ЧМ-сигналов.

Элементарную помеху в бесконечно малом интервале частот dfможно рассматривать как синусоидальную. Такая помеха вызывает паразитную частотную модуляцию (как это было показано выше), для которой квадрат девиации частоты равен

.

(11.13)

Квадрат эффективного напряжения помехи на выходе частотного детектора равен (переход от амплитудного значения к эффективному, обуславливает коэффициент равный 2 в знаменателе):

.

(11.14)

Интегрируя полученное выражение в полосе от –F_max до F_max, получим:

.

(11.15)

Эффективное напряжение шума на выходе частотного детектора можно представить следующим образом:

.

(11.16)

Эффективное напряжение сигнала на выходе частотного детектора:

, отношение сигнал/помеха на входе , .

(11.17)

Таким образом, при применении широкополосной частотной модуляции выигрыш в отношении сигнал/шум пропорционален индексу модуляции.

Получить аналитические формулы для оценки выигрыш в отношении сигнал/шум при изменении отношения сигнал/шум в широких пределах практически невозможно. Поэтому для малых отношений сигнал/шум мы приведем основные зависимости на основании экспериментальных данных.

При применении ЧМ-сигналов наблюдается пороговый эффект, который состоит в том, что при малых отношениях сигнал/шум частотная модуляция хуже амплитудной модуляции (это связано с тем, что в этом случае за счет ограничителя амплитуды не удается эффективно подавить паразитную амплитудную модуляцию за счет действия помехи). При достижении некоторого порогового значения отношения сигнал/шум при приеме ЧМ-сигналов наблюдается выигрыш по сравнению с приемом АМ-колебаний. Чем больше индекс частотной модуляции, тем больше величина выигрыша по отношению сигнал/шум по сравнению с АМ-модуляцией и тем больше требуемое отношение сигнал/шум , при котором обеспечивается этот выигрыш.

11.3 Радиоприем одной боковой полосы частот

При радиопередаче с помощью обычного АМ-сигнала излучение состоит из трех видов колебаний: несущей и двух боковых. Распределение мощности при этом следующее:

- при телеграфном сигнале. Если принять излучаемую мощность при передаче точке Р_т за 100%, то мощность колебания несущей частоты Р_н будет составлять 25% от этой мощности, т.е.:

(11.17)

Мощности верхней и нижней боковых полос Р_вб и Р_нб, всегда равны между собой и определяются, для случая максимального уровня, следующим выражением:

(11.18)

При передаче АМ-сигналов сообщение заключается в боковых полосах. Колебание несущей частоты никаких сведений о передаваемом сообщении не несет, и, следовательно, с этой точки зрения бесполезно. Назначение несущей - участвовать в процессе детектирования высокочастотного АМ-сигнала. При наличии несущей схема приемника получается значительно проще, чем в случае приема колебаний без несущей, т.е. колебаний в виде двух боковых полос или одной боковой полосы. Таким образом, наличие несущей при передаче сигналов удешевляет приемник, что вполне является оправданным для радиовещания, где каждую передающую станцию принимают сотни приемников индивидуального или коллективного пользования.

В радиосвязи, когда сигналы передатчика принимает всего лишь один приемник, стоимость приемника не может играть решающей роли и в этом случае отказ от излучения несущей оказывается целесообразным. Способ передачи без несущего колебания называется способом передачи с подавленной несущей или передачей на двух боковых.

Боковые полосы несут одну и ту же информацию, поэтому для передачи информации достаточно использовать лишь одну из боковых полос исходного АМ-сигнала. Переход к передачи информации на одной боковой позволяет уменьшить требуемую полосу пропускания канала в 2 раза, что является главным достоинством этого способа передачи. Следует при этом отметить, что при замираниях избирательного характера система с одной боковой имеет значительные преимущества перед обычной модуляцией. При наличие избирательных замираний может иметь место ослабление уровня несущей относительно уровня боковых. Это приводит к относительному углублению модуляции, а если в приемнике имеется система АРУ, то в этом случае наблюдается изменении уровня сигнала, но такие искажения сигнала не столь существенны.

При сильном ослаблении несущей наблюдается перемодуляция сигнала, что приводит к значительным искажениям сигнала. При приеме одной боковой колебание несущей частоты вырабатывается не в передатчике, а в приемнике, благодаря чему таких искажений при приеме сигналов быть не может.

Следовательно, однополосная передача при одинаковой установочной мощности лампы передатчика дает выигрыш по сравнению с амплитудной модуляцией от 8 до 16 раз по мощности. Кроме того, при однополосной модуляции отсутствуют большие нелинейные искажения, обусловленные избирательными замираниями несущей при обычной амплитудной модуляции.

Одним из преимуществ однополосной модуляции является скрытность передачи. Это обусловлено тем, что при приеме однополосного сигнала необходимо восстанавливать несущую на приемном конце. Требуемая точность восстановления несущей при передаче на двух боковых весьма высока. При приеме двух боковых с подавленной несущей необходимо точно восстанавливать не только частоту, но и фазу несущего колебания.

При передаче на одной боковой несущее колебание восстанавливается для радиовещания с точностью 1-2 Гц, а для телефонии 5-10 Гц.

В настоящее время применяются следующие методы восстановления несущей при приеме одной боковой полосы:

1. Использование стабильных генераторов;

2. Точная автоматическая подстройка частоты по не полностью подавленной несущей или по так называемому пилот-сигналу.

Использование стабильных генераторов возможно лишь при работе на длинных и средних волнах, т.к. при стабильности 10-6 отклонение частоты на длине волны 1000 м составляет 10 Гц.

На коротких волнах восстановление несущей возможно лишь вторым способом. Для этого используется опорный сигнал, представляющий собой

– остаток несущего колебания (обычно 10-20% от максимального уровня несущего колебания),

– специальный управляющий сигнал (пилот-сигнал), расположенный обычно со стороны нижней границы низкочастотного спектра.

В случае пилот-сигнала его расстройка относительно несущей частоты должна быть строго постоянной.

Введение в передатчике опорного сигнала для автоматической подстройки понижает эффективность системы связи на одной боковой, т.к. при этом мощность боковой полосы должна быть снижена.

В однополосном приемнике, как и в приемнике АМ-сигналов обязательно применение автоматической регулировки усиления. Особенностью системы АРУ однополосного приемника состоит в том, что она должна работать лишь по несущему колебанию (или пилот-сигналу), а не по всему сигналу, так как в этом случае уровень боковой зависит не только от условий распространения сигнала, но и от уровня модуляции, а уровень несущего соизмерим с уровнем боковой.

Рис. 11.2 Структурная схема приемника с одной боковой полосой

Для детектирования однополосных сигналов на амплитудный детектор подается однополосный сигнал с выхода УПЧ и опорный сигнал с выхода генератора несущей. Сигнал с выхода УПЧ подается на вход узкополосного фильтра, который выделяет на выходе либо подавленную несущую или пилот сигнал. Этот сигнал подается в систему автоматической подстройки частоты и систему АРУ. В системе АПЧ на частотный детектор подается сигнал с выхода узкополосного фильтра и сигнал от генератора несущей. В результате сравнения этих сигналов на выходе частотного детектора вырабатывается сигнал управления, который в дальнейшем подается на управитель частоты гетеродина.

Система АРУ включает детектор АРУ и фильтр. Сигналы с фильтра подаются в УРЧ и первые каскады УПЧ.

11.4 Радиоприемники синхронного приема

В этом случае детектирование сигнала происходит с помощью синхронного детектора, при этом для того чтобы осуществить прием необходимо на приемном конце восстановить точно частоту и фазу несущего колебания. Таким образом осуществляется перенос сигнала в низкочастотную область ( промежуточная частота равна нулю).

Применение избирательного детектора позволяет получить почти идеальную П-образную форму кривой избирательности приемника, тем самым увеличив избирательность приемника в десятки и сотни раз.

Структурная схема такого приемника приведена на рисунке 11.3.

Избирательный детектор

Рис. 11.3 Структурная схема синхронного приемника

С помощью цепей синхронизации частота колебаний гетеродина поддерживается точно равной несущей частоте принимаемого сигнала и обеспечивает совпадение по фазе колебаний гетеродина и несущей принимаемого сигнала.

Фильтр нижних частот (ФНЧ) в избирательном детекторе служит для устранения из спектра выходного напряжения тех составляющих, которые получаются в результате детектирования биений спектральных составляющих мешающих сигналов с напряжением синхронного гетеродина.

Возможны три способа синхронизации гетеродина:

1. Выделение узкополосным фильтром напряжения несущей частоты принимаемого сигнала и использование его в качестве синхронного колебания.

2. Захватывание колебаний гетеродина несущей частотой принимаемого сигнала ( синхронизация гетеродина).

3. Применение автоматической подстройки частоты гетеродина.

Наилучшие результаты дает совместное применение методов захватывания и автоматической подстройки частоты.

Принципы синхронного приема могут быть использованы для приема двухкратной передачи с помощью фазовой селекции - разделение различных сигналов одной и той же частоты, отличающиеся по фазе.

В синхронном приемнике можно разделить сигналы двух станций с перекрывающими боковыми полосами частот. Для этого приемник должен содержать два избирательных детектора. Первый избирательный детектор служит для подавления мешающего сигнала, второй для выделения принимаемого сигнала.

Фаза колебаний первого синхронного детектора при помощи специального фазовращателя ФВ сдвигается на 90⁰ относительно мешающего сигнала. Таким образом, осуществляется подавление мешающего сигнала, так как в этом случае . Т.е. устраняется эффект детектирования мешающего сигнала. Но принимаемый сигнал оказывается сдвинутым относительно начала координат. Поэтому применяется второй гетеродин, который переносит полезный сигнал на нулевую промежуточную частоту. Таким образом, удается весьма эффективно подавить мешающую станцию.