Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 279 -

Глава 4

4.6 Измерение модуляции

Стр.

4.6 Измерение модуляции................................................................................................... 280

4.6.1 Общие положения.......................................................................................................... 280

4.6.2 Аналоговая модуляция.................................................................................................. 280

4.6.2.1 Амплитудная модуляция............................................................................................... 280

4.6.2.2 Измерение девиации частоты и фазы .......................................................................... 286

4.6.2.3 Специальные виды аналоговой модуляции ................................................................ 292

4.6.3 Цифровая модуляция..................................................................................................... 293

4.6.3.1 Характеристики цифровых сигналов........................................................................... 293

4.6.3.2 Амплитудная манипуляция, АМн................................................................................ 294

4.6.3.3 Частотная манипуляция, ЧМн ...................................................................................... 294

4.6.3.4 Фазовая манипуляция, ФМн......................................................................................... 296

4.6.3.5 Частотное уплотнение кодированных ортогональных сигналов, COFDM.............. 298

- 280 -

Глава 4

4.6 Измерение модуляции

4.6.1 Общие положения

Модуляция – это изменение синусоидальной волны или последовательности импульсов, называе-

мых несущей (например, напряжения, тока, светового излучения, электрического или магнитного

поля) под воздействием сигнала. Для целей радиоконтроля рассматриваются только несущие

синусоидальной электромагнитной волны (напряжения, тока или поля).

Целью модуляции является перенос сигналов в основной полосе частот – сигналов, не обладающих,

как правило, ни подходящей формой, ни частотой для их непосредственной передачи, – на более

высокую частоту, которая может излучаться антенной.

Модулирующий сигнал может изменять амплитуду или частоту/фазу несущей или же оба этих пара-

метра (амплитудная модуляция – АМ, частотная модуляция – ЧМ, фазовая модуляция – ФМ).

Модулирующий сигнал может быть аналоговым или цифровым сигналом, например

последовательностью битов.

Обозначения типов модуляции перечислены в Приложении 1 Регламента радиосвязи.

4.6.2 Аналоговая модуляция

4.6.2.1 Амплитудная модуляция

4.6.2.1.1 Характеристики аналоговой амплитудной модуляции

4.6.2.1.1.1 Представление модуляции во временнóй области

Если несущая волна (рис. 4-26а)) модулирована по амплитуде синусоидальным колебанием (тоном),

то получается волна, показанная на рис. 4-26b). На рисунках на абсциссах отмечается время, а на

ординатах – напряжение (или ток) радиоволны (“представление во временнóй области”). Таким

образом, амплитуда будет меняться согласно сигналу модулирующей синусоидальной волны,

причем огибающая несущей волны будет соответствовать этому модулирующему сигналу.

Если амплитуда модулирующего сигнала увеличивается, то изменения амплитуды модулированной

волны будут увеличиваться аналогичным образом вплоть до точки, в которой происходит

мгновенное ослабление уровня огибающей до нуля, как показано на рис. 4-26с).

В случае дальнейшего увеличения амплитуды модулирующего сигнала максимальная амплитуда

волны будет также возрастать, но при этом в течение короткого периода времени будет наблюдаться

прерывание волны, как показано на рис. 4-26d).

Если максимальная амплитуда огибающей модулированной волны Е

max

, а минимальная амплитуда

огибающей Е

min

(см. рис. 4-26b)), то глубина модуляции т определяется как:

minmax

−

или в процентах:

100(%) ×

−

minmax

(4-11)

Следовательно, глубина модуляции будет выражаться в виде числа от 0 до 1 или, в процентах, от 0

до 100% . Следует отметить, что данное определение, а также все последующие определения

глубины модуляции действительны только для синусоидальной формы модулирующего сигнала.

- 281 -

Глава 4

Если Е

min

< 0, то имеет место перемодуляция. Как видно из рис. 4-26d), при наличии только

перемодулированного сигнала процент перемодуляции нельзя измерить согласно уравнению (4-11),

поскольку невозможно измерить значение Е

min

. Поэтому в таких случаях для величины т

используются другие определения, которые связаны со средним напряжением Е

. При

синусоидальных формах модулирующего сигнала эти определения приводят к тем же значениям,

что и по уравнению (4-11), но с тем преимуществом, что они позволяют определить симметрию и

перемодуляцию.

Используя значения Е

max

и Е

, получаем

100(%) ×

−

cmax

(4-12)

Используя значения Е

min

и Е

, получаем

100(%) ×

−

=−

minc

(4-12)

Spec -0426

b)a)

d)c)

время время

min

max

min

время

min

РИСУНОК 4-26

Представление амплитудно-модулированного сигнала во временнόй области

- 282 -

Глава 4

Принимая во внимание значения Е

max

, Е

min

и Е

, определяем

100

(%) ×

−

=±

minmax

(4-14)

При т+ = т– = m± модуляция может считаться симметричной, то есть величина амплитуды несу-

щей (= Е

) не изменяется при воздействии модулирующего сигнала, при этом процент модуляции в

любом случае < 100%. В этих случаях не происходит никакой перемодуляции.

Модуляция называется несимметричной, если

т+ ≠ т– ≠ m±

Возможными причинами несимметричности являются нелинейности в передатчике (например, на-

сыщение при высоких уровнях) или перемодуляция. В случае перемодуляции т+ > 100%, как

определяется по уравнению (4-12). Так как значения Е

max

и Е

можно легко определить и измерить,

коэффициент перемодуляции можно указать в процентах, измеряя только модулированный сигнал.

При приеме перемодулированного сигнала на выходе звуковой частоты приемника будет

создаваться сигнал синусоидальной волны с клиппированными пиковыми значениями вместо

синусоидального сигнала, используемого для перемодуляции передатчика. Это приводит к

заметным искажениям сигнала. Поэтому следует избегать перемодуляции и возникающего в

результате ухудшения качества передачи; кроме того, при перемодуляции увеличивается ширина

полосы частот, занимаемая излучением.

4.6.2.1.1.2 Представление в частотной области или спектральное представление

На рис. 4-27 показаны амплитудно-модулированные сигналы в частотной области (“спектральное

представление”). На абсциссах отмечается частота, а на ординатах – величина напряжения или тока

волны.

Как видно из рисунков, несущая, модулированная одним синусоидальным сигналом, сопровождает-

ся двумя боковыми полосами с частотами f

+ f

и f

– f

, причем каждая из боковых полос имеет

амплитуду:

E ⋅=

(4-15)

Ширина занимаемой полосы частот составляет:

(

+ f

) – (f

– f

) = 2 f

, (4-16)

т. е. равна удвоенной частоте модулирующего сигнала.

На рис. 4-27d) показан спектр перемодулированной волны. В предположении, что перемодуляция

вызывает искажения из-за появления составляющих вплоть до третьей гармоники модулирующего

сигнала, ширина занимаемой полосы частот в три раза превышает ширину полосы частот,

занимаемой модулированным сигналом без искажений. Поэтому следует избегать перемодуляции.

- 283 -

Глава 4

Spec-0427

b)a)

= 1

> 1

< 1

= 0

Амплитуда

боковой полосы

Ширина занимаемой полосы частот

РИСУНОК 4-27

Представление амплитудно-модулированного сигнала в частотной области

Как видно из рис. 4-27а) – 4-27с), амплитуда несущей и ширина занимаемой полосы частот не изме-

няются, если только не наблюдается перемодуляция. На передачу в боковых полосах расходуется

дополнительная мощность. Общая мощность модулированного сигнала равна сумме мощности

несущей и мощности боковых полос. Она определяется как:













(4-17)

Перемодуляция снижает амплитуду несущей.

4.6.2.1.1.3 Использование измерителя или анализатора модуляции

Более тщательное изучение параметров модуляции возможно при использовании специальных при-

боров, называемых измерителями или анализаторами модуляции (если они снабжаются

специальными схемами, позволяющими более подробно исследовать демодулированный сигнал,

например, определить искажения сигнала или отношение сигнал/шум). Обычно измерители

модуляции указывают также значение частоты несущей, потому что такое измерение можно

выполнить с помощью современных приборов без дополнительных усилий.

- 284 -

Глава 4

Общая блок-схема измерителя модуляции показана на рис. 4-28. Однако этот простейший вариант

измерителя модуляции рассматривает только те частоты, которые проходят через входной фильтр.

На практике данный тип анализаторов модуляции может использоваться только при подключении

прибора к выходу ПЧ приемника, в котором производится необходимый отбор сигналов.

Усилитель

Демодулятор

Вход

Полосовой

фильтр

Фильтр

нижних

частот

Показание

глубины

модуляции

РИСУНОК 4-28

Общая блок-схема измерителя модуляции

Для более общего использования измерителя модуляции на входе устанавливается преобразователь

входной частоты. В смесителе, на который подается соответствующий сигнал от гетеродина,

происходит преобразование входной частоты в промежуточную, что отвечает принципу

супергетеродинного приема. Затем эта промежуточная частота демодулируется и анализируется.

Таким образом, блок-схема современного измерителя модуляции обычно соответствует схеме на

рис. 4-29. Если измеритель модуляции используется для измерений амплитудно-модулированных

сигналов, демодулятор, безусловно, является амплитудным демодулятором, как отмечено на

рис. 4-29.

Уси лите ль

Вход

Полосовой

фильтр

АМ

демод

лято

Смеситель

Гетеродин

Фильтр

нижних

частот

Показание

глубины

модуляции

РИСУНОК 4-29

Блок-схема измерителя модуляции АМ сигнала со смесителем на входе

Однако входной каскад смесителя без какой-либо предварительной селекции восприимчив к воздей-

ствию сигналов нескольких частот. Поэтому данный тип анализатора модуляции может

использоваться только при подключении к выходу ПЧ приемника или при подключении к выходу

передатчика через соответствующую цепь связи, обеспечивающую необходимое ослабление

сигнала.

Выходной сигнал АМ демодулятора представляет собой, например, положительное напряжение

огибающей модулированного сигнала, как показано на рис. 4-30. На рис. 4-30а) показан входной

сигнал, а на рис. 4-30b) – выходной сигнал демодулятора.

- 285 -

Глава 4

Spec-0430

max

min

время

b) Выходной сигнал АМ демод

лято

а) Входной сигнал АМ демод

лято

РИСУНОК 4-30

Входной и выходной сигналы АМ демодулятора

Индикаторная схема теперь вычисляет глубину модуляции, как уже показано в уравнениях c (4-11)

по (4-13). Соответственно, прибор показывает т+, т– или т±. Сравнение между собой этих величин

показывает, является ли модуляция несимметричной или наблюдается перемодуляция (т+ > 1).

4.6.2.1.1.4 Дистанционное измерение глубины модуляции

Дистанционное измерение означает, что прямой доступ к модулированному сигналу, который необ-

ходимо измерить отдельно от других сигналов, отсутствует. Рассматриваемый сигнал находится в

пределах спектра частот, который может содержать множество других сигналов. Поэтому должны

быть предусмотрены соответствующие средства для отделения полезного сигнала; в большинстве

случаев это – приемник с надлежащей полосой пропускания и с эффективно действующей

автоматической регулировкой усиления.

Для измерения глубины модуляции могут использоваться различные методы. Выбор метода зависит

от формы, в которой должны представляться результаты измерений.

Иногда требуется проверять на отсутствие перемодуляции только мгновенные значения глубины

модуляции, соответствующие пиковым уровням модуляции. В этом случае для быстрой проверки

может оказаться достаточным подключение осциллографа к выходу промежуточной частоты

приемника. Возможно также использование анализатора спектра с нулевым интервалом (временнáя

область) или векторного анализатора сигналов.

С другой стороны, для того чтобы удостовериться в правильной работе передатчика, может быть

интересно знать среднюю глубину модуляции в заданных интервалах времени. Кроме того, в

некоторых случаях интерес может представлять качество модуляции, например отношение

сигнал/шум или содержание гармоник, вызывающих искажения. Во всех этих случаях необходимо

применение анализатора модуляции, включающего также точный измеритель глубины модуляции

(см. § 4.6.2.1.2.1). Такой прибор позволяет представлять результаты измерений в любой желаемой

форме, например, на передней панели, на экране монитора персонального компьютера или же

графически – в отпечатанном виде или в виде графиков.

- 286 -

Глава 4

4.6.2.1.2 Погрешности измерения

Возможными источниками погрешностей измерения являются:

– полоса пропускания прибора, не соответствующая модулированному сигналу,

– наличие шумов или сигналов, не являющихся частью рассматриваемой передачи.

Чтобы избежать возникновения этой проблемы, измерения должны проводиться при отношении S/N

в приемнике (измерителе модуляции) с применением направленной антенны для исключения, по

возможности, нежелательных сигналов и получения максимального напряжения полезного сигнала.

4.6.2.2 Измерение девиации частоты и фазы

4.6.2.2.1 Типичные рабочие характеристики ФМ/ЧМ анализатора модуляции

Как уже упоминалось в § 4.6.2.1.2 дистанционное измерение означает, что сигнал должен

выбираться из спектра частот на выходе антенны. Как ранее отмечалось, представление несущей с

угловой модуляцией во временнόй области бесполезно. Поэтому на практике все измерения

девиаций частоты и фазы осуществляются с использованием измерителей модуляции. Общая блок-

схема показана на рис. 4-31. Однако при ФМ и ЧМ измерениях демодулятор представляет собой ЧМ

демодулятор, перед которым обычно устанавливается ограничитель. При ФМ измерениях

включается интегратор.

Другими особыми требованиями к ФМ/ЧМ измерителю являются низкий собственный фазовый

шум гетеродина, минимальное групповое время задержки полосового фильтра и небольшой

коэффициент преобразования АМ/ЧМ ограничителя. На рис. 4-31 показана блок-схема ФМ/ЧМ

измерителя.

Вход

Ус и л и т е л ь

Смеси-

тель

АМ

демодулятор

Полосовой фильтр

(с небольшой

групповой

задержкой)

Ограничитель

(с небольшим

коэфф. п

вания АМ/ЧМ)

реобразо-

Фильтр

нижних

частот

А/Ц

преобразование

и/или ЦОС

Гетеродин

с низким

(фазовым шумом)

(Пост)

данных

представление

обработка

и их

РИСУНОК 4-31

Блок-схема анализатора угловой модуляции

Еще одной возможностью измерения девиации ЧМ радиовещательных станций является

применение анализатора сигналов в области модуляции (MDA) на базе IFM. Частота дискретизации

должна выбираться в соответствии с частотой модуляции (например, минимум 40 квыборок/с при

максимальной модулирующей частоте 15 кГц), а период повторения измерения (временнóе окно)

должен соответствовать наименьшей частоте, на которой желательно определить девиацию. Чем

больше время измерения, тем ниже частота модуляции, которую можно наблюдать после обработки

выборок.

- 287 -

Глава 4

4.6.2.2.2 Режимы индикации

Измерения девиации фазы и частоты полезных сигналов осуществляются в виде измерений пиковых

значений, поскольку, по определению, уровни девиации фазы и частоты сигналов связи являются

уровнями девиации пиковых значений. Однако если требуется провести измерения шума, или

отношения сигнал/шум, или SINAD, то необходимо учитывать среднеквадратичные или

квазипиковые взвешенные значения соответствующей девиации. Поэтому ФМ и ЧМ измерители

обычно также оснащаются детекторами для получения результатов в виде среднеквадратичных,

SINAD, а также квазипиковых значений (Рекомендация МСЭ-R BS.468).

4.6.2.2.3 Сигнал уплотнения ЧМ радиовещания

В диапазоне ЧМ радиовещания большинство передач осуществляется в стереорежиме, причем во

многих случаях передаются дополнительные сигналы, такие как информация о трафике, RDS

(сигналы радиоданных), HSDS (системы с высокой скоростью передачи данных), наподобие, к

примеру, DARC (радиоканал передачи данных).

Сигнал RDS можно найти в сигнале уплотнения на частоте 57 кГц, с подавленной поднесущей и

двумя боковыми полосами, синхронизированной по фазе относительно 3-й гармоники пилот-тона; с

помощью этого сигнала передаются, например, код опознавания программы (PI), название

программной службы (PS), список альтернативных частот (AF), код сообщений о дорожном

движении (ТА), а также он может использоваться для целей радиопейджинга (RP). Сигнал RDS

часто вызывает девиацию в пределах от 2 до 5 кГц. Описание данной системы приведено в

Рекомендации МСЭ-R BS.643, а дополнительная информация имеется в документе CENELEC Norm

EN50067.

Система DARC работает на поднесущей 76 кГц, синхронизированной по фазе относительно 4-й

гармоники пилот-тона 19 кГц. Методом модуляции является LMSK (манипуляция минимальным

сдвигом, управляемая уровнем сигнала). Девиация основной несущей сигналом DARC составляет

±7 кГц. Описание системы можно найти в Рекомендации МСЭ-R BS.1194.

Полный сигнал уплотнения может состоять из монофонического сигнала от 0 до 15 кГц, пилот-тона

на 19 кГц, стереофонического сигнала от 23 до 53 кГц, сигнала RDS на 57 кГц и, например, сигнала

DARC на 76 кГц.

Пример показан на рис. 4-32.

4.6.2.2.4 Девиация в ЧМ радиовещании

Все составляющие сигнала уплотнения вносят свой вклад в общую девиацию. Сумма всех этих

составляющих может зависеть от фазы между ними. Максимальная девиация имеет место, когда все

составляющие находятся в фазе.

Чтобы избежать изменений величины защитного отношения, указанного в Рекомендации МСЭ-R

BS.412, максимальная девиация не может превышать 75 кГц. Эта девиация должна измеряться в

соответствии с Рекомендацией МСЭ-R SM.1268, которая предполагает максимальное измеренное

значение девиации за период времени 50 мс. А для того чтобы учесть в девиации изменения,

вызванные самыми высокочастотными составляющими сигнала уплотнения, скорость выборки

должна быть не ниже 200 кГц. В Рекомендации МСЭ-R BS.450 указывается, что дополнительные

сигналы, наподобие RDS и т. д., не могут превышать 10% от максимальной девиации, в данном

случае 7,5 кГц (см. рис. 4-33).

- 288 -

Глава 4

РИСУНОК 4-32

Пример ЧМ РВ уплотненного сигнала с относительной шкалой,

включающего сигнал DARC

РИСУНОК 4-33

Девиация ЧМ уплотненного сигнала, включающего отдельные составляющие

Это означает, что доля в (75 – 7,5 =) 67,5 кГц от общей девиации 75 кГц может быть вызвана

звуковым сигналом, т. е. монофоническим и стереофоническим, включая пилот-тон.