Введение. Для передачи информации на большие расстояния в настоящее время находят все более широкое применение системы связи с однополосной модуляцией

Для передачи информации на большие расстояния в настоящее время находят все более широкое применение системы связи с однополосной модуляцией. Метод однополосной модуляции ОМ является предпочтительным при построении авиационных связных и командных коротковолновых и ультракоротковолновых радиостанций, благодаря тому что он по сравнению с другими методами позволяет при сохранении номинальной мощности передатчиков значительно повысить помехоустойчивость и надежность радиотелефонной связи.

Высокая помехоустойчивость систем связи с однополосной модуляцией является решающим преимуществом перед системами связи с амплитудной модуляцией. Поскольку при однополосной модуляции ширина спектра радиосигнала равна ширине спектра модулирующего сигнала, то эффективность системы связи с ОМ . Обобщенный выигрыш системы с однополосной модуляцией , так как при демодуляции однополосного сигнала отношение мощности сигнала к мощности помехи остается неизменным.

Сравнительная оценка систем связи с однополосной и частотной модуляцией показывает, что при сильных сигналах отношение сигнал/помеха на выходе ЧМ приемника получается существенно больше, чем в однополосном приемнике. Однако при слабых сигналах система с однополосной модуляцией обладает более высокой помехоустойчивостью. Применение при этом клиппирования (ограничения по амплитуде модулирующего сигнала в передатчике) обеспечивает существенный дополнительный выигрыш однополосной модуляции.

Экспериментальные исследования, проведенные советскими учеными А. Д. Князевым и другими, показали, что при одинаковых излучаемых мощностях частотно- и однополосномодулированных сигналов при применении клиппировання однополосная модуляция обеспечивает в 2—2,5 раза большую дальность связи по сравнению с частотной модуляцией.

1. Назначение, основные тактико-технические данные, состав и принцип построения связных радиостанций Р-842, Р-846, «Ядро-1»

1. 1.Общие сведения об однополосной модуляции:

Термин «однополосная модуляция» (ОМ) является в известной степени условным. Происхождение его связано с тем, что спектр сигнала при ОМ по форме соответствует спектру одной из боковых полос AM колебаний.

Известно, что при модуляции напряжением одной звуковой частоты F в составе амплитудно-модулированного напряжения содержатся колебания трех частот — несущей и двух боковых и :

где ; .

Поскольку составляющая несущей частоты не несет информации о передаваемом сообщении, а выполняет лишь вспомогательную роль, то ее можно исключить из состава излучаемых сигналов. Полезная информация содержится только в боковых частотах. Если исключить из состава излучаемых сигналов колебания несущей частоты и одной из боковых частот, связь можно осуществить и на одной боковой частоте.

В случае модуляции колебаний несущей частоты речевым сигналом с полосой частот спектр амплитудно-модулированных колебаний будет состоять из колебаний несущей частоты , колебаний нижней боковой полосы частот (НБП) и верхней боковой полосы частот (ВБП). В силу симметрии боковых полос для передачи сообщения можно в принципе использовать любую из них (рис. 1, а) и осуществлять связь как на верхней, так и на нижней боковой полосе частот. Образующийся при этом сигнал называется радиосигналом однополосной модуляции на верхней (нижней) боковой полосе с подавленной несущей (рис. 1,6).

Рис.1 Спектры сигналов:

а - с амплитудной модуляцией; б - с ОМ на верхней боковой полосе;

в - с ОМ на верхней боковой полосе с пилот-сигналом

Если колебания несущей частоты подавлены до уровня колебаний составляющих боковой полосы, сигнал называется однополосным с ослабленной несущей (ОМН). Если вместе с колебаниями боковой полосы частот передается «остаток» колебаний несущей частоты на уровне 10% от колебаний боковых полос частот (рис. 1,в), такой остаток называется пилот-сигналом (ПС).

Каналы связи с однополосной модуляцией имеют ряд преимуществ перед каналами связи с амплитудной модуляцией.

Исключение составляющей несущей частоты из передаваемого сигнала обеспечивает значительное улучшение энергетических соотношений в передатчике. Действительно, при амплитудной тональной модуляции ток в антенне имеет составляющую несущей частоты с амплитудой и составляющие боковых частот с одинаковыми амплитудами, равными .

Пиковая мощность передатчика должна быть рассчитана таким, образом, чтобы в антенне обеспечивался максимальный ток: .

Из этого следует, что при стопроцентной модуляции максимальное значение суммарного тока боковых частот составляет половину . При работе без несущей и при той же пиковой мощности передатчика амплитуды токов боковых частот будут в два раза больше. При этом мощность колебаний боковых частот увеличивается в 4 раза. Таким образом, работа без несущей эквивалентна увеличению мощности передатчика в 4 раза. Значительные преимущества получаются также за счет подавления одной из боковых полос, образующихся при амплитудной модуляции речевым сигналом.

При ОМ необходимая ширина полосы пропускания передатчика и приемника в два раза уже по сравнению с полосой пропускания при АМ. За счет сужения полосы пропускания уменьшается мощность шумов на выходе приемника ОМ в два раза, то есть отношение мощности сигнала к мощности шума (помехи) возрастает в два раза, что эквивалентно выигрышу по мощности в два раза.

При отсутствии модулирующего сигнала (например, при молчании перед микрофоном) при ОМ передатчик не излучает, в то время как при AM излучаются колебания несущей частоты. Учитывая, что подобные паузы при радиотелефонной работе составляют значительную часть времени, применение ОМ дает дополнительный энергетический выигрыш.

Исключение из радиосигнала колебаний несущей частоты уменьшает искажения сигнала при замираниях, поскольку три передаче AM сигнала такой вид замираний определяется либо частичным ослаблением колебаний несущей частоты, либо сдвигом фаз между боковыми полосами спектра сигнала. Поэтому переход к ОМ может дать дополнительный выигрыш в мощности еще в два раза. Таким образом, в идеальном случае переход от AM к ОМ может дать выигрыш в мощности в 16 раз. Кроме того, в одном и том же диапазоне частот связи при ОМ можно разместить в два раза больше телефонных каналов связи, чем при AM, за счет уменьшения ширины спектра подаваемого сигнала.

Практически реальный выигрыш в мощности сигнала при ОМ по отношению к AM оказывается несколько меньше чем в 16 раз, поскольку на выходе передатчика помимо однополосного сигнала имеется еще «остаток» колебаний несущей частоты — пилот-сигнал.

Однополосный сигнал может быть сформирован несколькими-методами. Основными из них являются:

фильтровый метод (метод многократной балансной модуляции);

фазокомпенсационный метод (метод многофазной модуляции).

В авиационных однополосных радиостанциях применяется фильтровый метод. Сущность фильтрового метода состоит в подавлении колебаний несущей частоты применением балансной модуляции, а колебаний одной боковой полосы частот использованием высокодобротных частотно-избирательных фильтров.

Эффективное подавление трудно осуществить, если однополосный сигнал формируется на высокой частоте. Для повышения эффективности подавления следует увеличить относительную величину частотного интервала между гармоническими составляющими спектра (рис.1,а), которые надо отфильтровать. Этого можно добиться, осуществляя первоначально модуляцию на пониженной частоте с последующим использованием многократного преобразования частоты. Упрощенная структурная схема передатчика с однополосной модуляцией изображена на рис.2, а. Амплитудно-частотные спектры колебаний в различных каскадах передатчика показаны на рис. 2, б.

Рис.2. Структурная схема передатчика при фильтровом методе получения однополосной модуляции (а) и амплитудно-частотные спектры колебаний в различных каскадах передатчика (б)

На балансный модулятор БМ1 поступают колебания спектра звуковых частот и высокой частоты . На выходе балансного модулятора получаются только спектры колебаний боковых частот, несущая отсутствует. Относительная величина частотного интервала между боковыми полосами . Выбирая низкое значение частоты можно получить достаточно большую величину . Фильтрация нерабочей боковой полосы при этом не вызывает затруднений. Затем полученный спектр переводят в диапазон более высоких частот, применяя повторную модуляцию в БМ2 колебаний высокочастотного генератора, работающего на частоте , колебаниями одной боковой полосы, полученными при первоначальной модуляции, и т.д.

Из рис.2,б видно, что процесс формирования ОМ сигнала можно представить как процесс перемещения спектра, модулирующего сигнала в области более высоких частот с сохранением неизменными интервала между составляющими спектра и соотношением между их амплитудами. После усиления в УВЧ ОМ сигнал подается на усилитель мощности (УМ), а затем в антенну.

При формировании однополосного сигнала фильтровым методом предъявляются высокие требования к балансному модулятору и полосовому фильтру. Балансный модулятор должен обеспечивать подавление колебаний несущей частоты не менее 50 дБ. Полосовой фильтр должен обладать крутыми скатами резонансной характеристики. В настоящее время для этой цели используются электромеханические фильтры с резонансной частотой 500 кГц.

Усилитель мощности должен обеспечивать усиление колебаний по мощности без искажений в полосе частот сигнала. Это требование можно удовлетворить при работе УМ в режиме колебаний первого рода или второго рода с углом отсечки , однако режим колебаний первого рода невыгоден с энергетической точки зрения. Для приема однополосного сигнала в составе приемника необходимо иметь маломощный местный гетеродин, восстанавливающий колебания несущей частоты. Тогда на вход детектора будут поступать колебания несущей и боковых частот . При достаточно большой амплитуде колебаний несущей частоты, создаваемых местным гетеродином, нелинейные искажения при демодуляции принимаемого сигнала получаются незначительными. Частота колебаний на выходе детектора равна разности частот принимаемых колебаний боковых частот и местного гетеродина, то есть такой детектор, по существу, является преобразователем частоты и выполняется часто по кольцевой схеме. На нагрузке детектора образуется напряжение звуковой частоты .

Для воспроизведения сообщения с малыми искажениями должна быть обеспечена высокая точность установки частоты гетеродина. Если эта частота не совпадает с частотой подавленных в передатчике несущих колебаний, частота напряжения на выходе детектора будет отличаться от частоты передаваемого модулирующего сигнала. Практика показывает, что при приеме телефонных сигналов допустима неточность установки частоты гетеродина около нескольких десятков герц.

В системах с пилот-сигналом несущие колебания подавляются в передатчике не полностью. Некоторая доля мощности несущих колебаний излучается передатчиком (пилот-сигнал) и может быть усилена в приемнике специальным узкополосным усилителем, после чего складывается с принимаемыми боковыми колебаниями. В некоторых системах пилот-сигнал используется для автоматической подстройки частоты местного гетеродина, создающего несущие колебания. Кроме того, пилот-сигнал используется для автоматической регулировки усиления.

1.2 Назначение, основные тактико-технические характеристики, состав принцип построения связных радиостанций Р-846, «Ядро-1», Р-842.

1.2.1. Радиостанция Р-846.

Приемопередающая коротковолновая самолетная радиостанция предназначена для обеспечения дальней телефонной и телеграфной в коротковолновом диапазоне, беспоисковой и бесподстроечной радиосвязи самолетов с наземными радиостанциями, имеющими стабильность частоты не хуже 1 10^-6 и дискретную сетку частот (шаг дискретности 1 кГц), а также для связи между самолетами, оборудованными этими радиостанциями.

Радиостанция в телефонном виде работы с амплитудной модуляцией (AM) и в телеграфном виде работы с амплитудной манипуляцией (АТ_ШИР) могут работать с другими радиостанциями, имеющими стабильность частоты не хуже 25 10^-6.

Радиостанция построена по трансиверному принципу, поэтому она может обеспечивать только симплексную связь. Передача и прием информации ведутся на одной и той же частоте.

Радиостанция Р-846 имеют дискретную сетку рабочих частот. Сетка опорных частот образуется из колебаний одного опорного кварцевого генератора. В радиостанции применена система диапазонно-кварцевой стабилизации частоты.

Высокая стабильность частоты колебаний передатчика и высокая стабильность настройки приемника, необходимые для реализации однополосной модуляции, позволили увеличить число рабочих частот за счет уменьшения полосы пропускания приемника и одновременно повысить помехоустойчивость радиосвязи.

Широкий диапазон рабочих частот, возможность предварительной настройки на 18 частот связи, дистанционное управление существенно упрощают управление радиостанцией в полете, позволяют наилучшим образом маневрировать частотами связи.

Радиостанция Р-846 устанавливается на самолетах фронтовой авиации.

Основные технические данные:

1) Радиостанция обеспечивают связь в диапазоне частот от 2000 до 29999 кГц на дискретных частотах через 1 кГц.

Результирующее отклонение частоты от номинальной во всех условиях эксплуатации не превышает 1 10^-6.

2) Радиостанция готова к работе с пониженной стабильностью частоты в телефонном виде работы с амплитудной модуляцией (AM) и в телеграфном виде работы с амплитудной манипуляцией (АТ_ШИР) с радиостанциями, имеющими стабильность частоты не хуже 25 10^-6 через 2-5 мин после включения напряжения питания.

К работе со стабильностью 1 10^-6 радиостанции готовы после 20 мин прогрева термостата опорного генератора при температуре окружающего воздуха минус 60°С.

О готовности радиостанции в стабильных видах работ свидетельствует загорание табло ОМ и ЧТ на пультах управления.

3) Радиостанция обеспечивают следующие виды работы в симплексном режиме:

телефонную работу на одной верхней боковой полосе частот (ОМ);

телефонную работу при амплитудной модуляции (AM);

телеграфную работу при частотной манипуляции;

телеграфную работу при амплитудной манипуляции на номинальной частоте со скоростью 150 знаков в минуту;

работу с оконечной аппаратурой.

4) Чувствительность приемного тракта радиостанции не хуже:

2 мкВ - в телефонном виде работы с однополосной модуляцией;

5 мкВ - в телефонном виде работы с амплитудной модуляцией;

2 мкВ - в телеграфном виде работы с амплитудной манипуляцией с широкой полосой;

1 мкВ - в телеграфном виде работы с амплитудной манипуляцией с узкой полосой;

1 мкВ - в телеграфном виде работы с частотной манипуляцией.

5) Мощность передатчика радиостанции при работе на нагрузочное сопротивление 50 Ом в телеграфном виде работы и пиковая мощность при однополосной модуляции составляет не менее 50 Вт.

В диапазоне частот 2-4 МГц передатчики имеют пониженную мощность не менее 15 Вт.

Мощность передатчика в телефонном виде работы при амплитудной модуляции составляет не менее 25% от мощности в телеграфном виде работы.

6) Все управление радиостанцией в полете осуществляется с дистанционных пультов управления (основного или дублера), вынесенных на расстояние да 50 м от радиостанции.

Пульты управления обеспечивают выбор в полете любой частоты или любого из восемнадцати заранее настроенных каналов.

7) Время автоматической перестройки радиостанции с одной частоты на другую или с одного канала на другой не превышает 30-40 с.

Время настройки радиостанции на восемнадцать каналов, включая время проверки автоматики, не превышает 30 мин.

Время перехода с приема на передачу не превышает 0,5 с.

8) Питание радиостанций осуществляется от электросистем.

Радиостанция Р-846 по питанию выпускаются в двух вариантах:

от однофазной сети с частотой 400 20 Гц и напряжением 115 8 В. Этот вариант имеет индекс ЭО (Р-846 -ЭО);

от трехфазной сети с частотой 400 20 Гц и напряжением 200±14 В. Этот вариант имеет индекс ЭТ (Р-846-ЭТ).

11) Потребляемая мощность от источников питания радиостанции в режиме передачи по сети переменного напряжения 115/200 В с частотой 400 20 Гц составляет для радиостанций Р-846-ЭО и Р-846-ЭТ не более 650 ВА.

Для всех радиостанций потребляемая мощность от источников постоянного напряжения 27 В в режиме перестройки и при включенных термостатах не превышает 250 Вт.

12) Радиостанция обеспечивают работу на проволочные антенны длиной 9-20 м, а также на антенны верхнеемкостного питания через фидер с волновым сопротивлением 50 Ом с помощью антенного автоматического согласующего устройства.

13) Масса радиостанции Р-846 без контрольно-проверочного прибора П12 и соединительных кабелей не более 78 кг.

14) Радиостанция может работать:

при температурах окружающей среды от -60 до +50°С,

при температуре +40°С в среде с относительной влажностью воздуха до 98 %;

при вибрациях частотой от 10 до 200 Гц при ускорениях до 5g;

при ударных перегрузках до 5g, при частоте 40-80 ударов в мин,

непрерывно в течение 24 час по циклу: 5 мин - передача, 10 мин - прием.

15) Дальность радиосвязи зависит от выбора рабочей частоты, от типа антенны, состояния ионосферы, уровня помех, мощности наземного передатчика и чувствительности наземного приемника, диаграмм направленности бортовой и наземных антенн.