Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 289 -

Глава 4

4.6.2.2.5 Статистическая обработка измерений девиации в ЧМ радиовещании

В случае ЧМ модуляции девиация зависит от уровня звукового сигнала. В коммерческом

радиовещании для поддержания высокого уровня девиации (предпочтительно до 75 кГц) часто

используется обработка звука. Эта мера означает меньшее влияние от сигналов в соседних каналах,

что по-видимому приведет к увеличению зоны покрытия. Однако напряженность поля из-за

обработки звука меняться не будет.

В Рекомендации МСЭ-R SM.1268 заявляется, что ЧМ РВ излучение должно наблюдаться в течение

периода времени 15 минут. Все измеренные данные, пиковые значения девиации в 50 мс, должны

быть обработаны, а график распределения и график дополнительной кумулятивной функции

распределения (CCDF) может быть представлен аналогично графикам на рис. 4-34 и 4-35. Отметим,

что воспроизведение кривых статистического распределения зависит от используемого

измерительного оборудования. Необходимо, чтобы это оборудование соответствовало

Рекомендации МСЭ-R SM.1268.

РИСУНОК 4-34

График распределения

РИСУНОК 4-35

График дополнительной кумулятивной

функции распределения

В § 2.3 Рекомендации МСЭ-R BS.412 рассматриваются защитные отношения для ЧМ приема.

Максимальная пиковая девиация в любой момент времени не должна превышать 75 кГц. Кроме

того, мощность полного уплотненного сигнала, сгруппированная в любом интервале длительностью

60 с, не должна превышать мощность уплотненного сигнала, модулированного синусоидальным

тоном, которым осуществляется пиковая девиация 19 кГц. В отношении точных измерений этой

мощности модуляции см. Рекомендацию МСЭ-R SM.1268. Пример показан на рис. 4-36.

- 290 -

Глава 4

РИСУНОК 4-36

Мощность модуляции

4.6.2.2.6 Спектральная маска для ЧМ передачи

Простым методом проверки соответствия излучения защитным отношениям ЧМ вещательных

передатчиков является метод спектральной маски, описанный в Дополнении 1 к Рекомендации

МСЭ-R SM.1268.

Для этого измерения используется анализатор спектра в режиме удержания максимумов со

следующими установками:

– ширина полосы разрешения 10 кГц

– ширина полосы видеочастот 10 кГц

– интервал 340 кГц

– скорость развертки 340 мс (1 кГц/мс)

– продолжительность измерений 3 раза по 5 мин., проверки должны проводиться с

различными типами программ.

Принимаемый сигнал должен быть достаточно сильным, с тем чтобы защитить результаты измере-

ний от любого воздействия реальных значений отношения сигнал/шум и сигнал/помеха. Для

правильных измерений уровень сигнала должен на 50 дБ превышать уровень сигналов в соседних

каналах.

Следует обратить внимание на более высокочастотные составляющие в уплотненном сигнале,

наподобие RDS и других дополнительных сигналов. Хотя вызываемая ими девиация довольно

ограничена, влияние этих сигналов на форму спектральной маски может быть относительно велико.

См. пример, показанный на рис. 4-37.

- 291 -

Глава 4

РИСУНОК 4-37

Пример измерения спектральной маски

4.6.2.2.7 Ошибочные результаты измерений вследствие многолучевого приема

Измерения девиации ЧМ сигналов с высоким содержанием АМ вследствие многолучевого приема

дают ошибочные результаты. Полученное значение может быть чрезмерно высоким (например,

увеличенным на коэффициент 2). В любом случае при проведении измерений девиации следует

избегать многолучевого приема.

4.6.2.2.8 Одновременное измерение АМ и ФМ/ЧМ

Основной проблемой для ЧМ сигналов в полосах диапазона ОВЧ и на более высоких частотах

является многолучевое распространение. Результатом многолучевого распространения в ЧМ

системах являются неприемлемые искажения модулированного сигнала. Из-за многолучевого

распространения ФМ или ЧМ преобразуется в определенный процент АМ при векторном сложении

на приемной антенне. Поэтому многолучевое распространение можно определить путем измерения

амплитудной модуляции частотно-модулированной несущей. Для этой цели измеритель модуляции

должен измерять одновременно АМ и ФМ/ЧМ. Качество ЧМ приема ухудшается, если содержание

АМ в сигнале превышает определенный процент. Качество приема значительно ухудшается, если

коэффициент преобразования > 6% /кГц (моноприем) или > 2% /кГц (стереоприем). Если

необходимо определить, является ли качество ЧМ радиовещательных сигналов приемлемым,

следует измерить процент преобразования ФМ/ЧМ относительно АМ [Technical Instruction, 1982].

Для этой этой цели используются приборы, обеспечивающие параллельные измерения девиации и

глубины модуляции с мгновенным расчетом коэффициента преобразования, который выражает в

процентах глубину модуляции на кГц девиации ЧМ сигнала.

- 292 -

Глава 4

4.6.2.3 Специальные виды аналоговой модуляции

4.6.2.3.1 Модуляция при телевизионных передачах

Во всех случаях ТВ вещательных передач в диапазонах ОВЧ/УВЧ используется модуляция с частич-

но подавленной боковой полосой (отрицательная или положительная) для видеосигналов и

частотная или амплитудная модуляция для одной или нескольких отдельных несущих звуковых

сигналов.

В соответствии с надлежащим стандартом составляющие ТВ сигнала поддерживаются постоянными

по амплитуде независимо от содержания изображения. По этой причине обычные измерения

глубины модуляции в случае модуляции видеосигналов не имеют смысла. Полезно представлять ПЧ

сигнал или демодулированный видеосигнал на осциллографе, при этом обеспечивается хорошее

наглядное представление о модуляции. Необходимым предварительным условием для правильного

представления является достаточная ширина полосы на выходе ПЧ и видеодемодулятора

приемника, если таковой используется (см. раздел 4.2).

Измерения звуковых каналов могут осуществляться обычным образом при условии, что

избирательность измерителя модуляции достаточно высока.

4.6.2.3.2 Однополосная модуляция с подавленной несущей

ОБП модуляция с подавленной несущей (JЗЕ) имеет широкое применение. Для этого типа передачи

полоса частот телефонии перемещается на присвоенную частоту, усиливается и излучается

антенной. Как правило, используется верхняя боковая полоса (рис. 4-38а)), и только на

любительских станциях применяется нижняя боковая полоса (рис. 4-38b)).

Как видно из рис. 4-38, излучаемая боковая полоса образуется посредством перемещения или

перемещения и преобразования полосы звуковых частот. Следовательно, если звуковой сигнал

отсутствует, никакой сигнал не передается. Амплитуда излучаемого сигнала пропорциональна

амплитуде звукового сигнала. Несущая подавляется. По этой причине глубину модуляции нельзя

определить и, следовательно, измерить.

4.6.2.3.3 Модуляция с независимыми боковыми полосами

Указанные выше положения, относящиеся к ОБП с подавленной несущей, применимы также к

модуляции с независимыми боковыми полосами (ISВ) с подавленной несущей (В8Е). В этом случае

обычно проводимые измерения модуляционных характеристик невозможны.

4.6.2.3.4 Динамическая амплитудная модуляция

С точки зрения потребляемой мощности обычный двухполосный АМ передатчик является весьма

неэкономичным устройством. Даже при глубине модуляции m = 100% только 17% излучаемой

мощности используется для передачи информации (одна боковая полоса), а 66% – это мощность

несущей, не содержащей какой-либо информации (см. уравнение (4-17)). Для более низких значений

т соотношения еще хуже. Для решения этой проблемы было предпринято несколько попыток

уменьшить мощность несущей при малых значениях глубины модуляции m (что на практике

наблюдается в большинстве случаев).

- 293 -

Глава 4

Spec -0438

300

Гц

+ 300

Гц

– 300

Гц

300

Гц

3,4

ГГц

+ 3,4

кГц

– 3,4

кГц

3,4

ГГц

b) Однополосная модуляция с подавленной несущей (нижняя боковая полоса)

Полоса звуковых частот

Подавленная несущая

Излучаемый сигнал

а) Однополосная мод

ляция с подавленной нес

щей (ве

хняя боковая полоса)

РИСУНОК 4-38

Однополосная модуляция с подавленной несущей

Одним из решений является динамическая амплитудная модуляция (ДАМ), при которой мощность

несущей снижается, если m значительно ниже 100% . Очевидно, эта процедура дает экономию

энергии. С другой стороны, результатом этого вида передачи является непостоянный уровень

несущей. Мощность несущей является функцией уровня модуляции. В этом случае без знания

подробных данных о характеристиках передаваемого сигнала показания на обычном измерителе

модуляции не могут быть правильными. Для определения того, используется ли режим ДАМ или

нет, необходимо измерить средний уровень несущей при большой постоянной времени.

4.6.3 Цифровая модуляция

4.6.3.1 Характеристики цифровых сигналов

Информация в цифровой связи передается в квантованной форме, то есть амплитуда и/или фаза

сигнала может иметь только дискретные значения. Преимущество цифровых сигналов заключается

в том, что при определенных условиях их можно восстанавливать без какого-либо ухудшения из-за

воздействия шумов.

Как и аналоговые сигналы, цифровые сигналы в основной полосе частот не обладают ни соответст-

вующей формой, ни соответствующей частотой для их излучения антенной. Чтобы сделать

возможной передачу по радиоканалу, их сначала необходимо перенести на более высокую частоту

путем модуляции синусоидальной РЧ несущей.

- 294 -

Глава 4

Сигнал данных, содержащий информацию, влияет на амплитуду, частоту и/или фазу РЧ несущей с

тактовой частотой сигнала данных. В ряде случаев одновременно применяются амплитудная и

угловая модуляции.

В цифровых методах слово “модуляция” часто заменяется словом “манипуляция”. Для амплитуд-

ной, частотной и фазовой манипуляции используются сокращения АМн, ЧМн и ФМн.

Простейшим способом модуляции несущей волны цифровыми сигналами в основной полосе частот

является амплитудная манипуляция (АМн). Это достигается, например, с помощью сигнала,

включающего и отключающего несущую. Классическим примером такого сигнала является код

Морзе. Если несущая просто включается и отключается с частотой повторения импульсов сигнала

данных, то этот процесс называется двоичной манипуляцией (по типу включено–выключено)

(ООK).

Широко применяется частотная манипуляция – очень простой вид цифровой модуляции. В этом

случае амплитуда несущей волны остается постоянной, в то время как частота может принимать два

значения:

= f

+ ∆f и f

= f

– ∆f

Это может обеспечиваться при использовании двух генераторов или посредством возбуждения ЧМн

сигналом генератора, управляемого напряжением (ГУН).

AFSK (низкочастотная манипуляция, широко применяемая в любительских радиопередачах)

является методом, при котором звуковые сигналы подаются на ОБП передатчик. Без занятия эфира

по-видимому невозможно определить, использовались ОБП передача с возбуждением от звуковых

сигналов или ЧМн передатчик с возбуждением от двоичных данных.

Основным современным методом модуляции несущей частоты цифровыми сигналами является

фазовая манипуляция (ФМн), особенно в диапазоне ОВЧ и даже на более высоких частотах. Одним

из примеров является сдвиг фазы несущей на 180° (2-ФМн), но такой сдвиг также используется в

случае более сложного метода манипуляции, называемого квадратурной амплитудной модуляцией

(КАМ).

4.6.3.2 Амплитудная манипуляция, АМн

Модулирующий и модулированный сигналы этого вида модуляции представлены на рис. 4-39. В

некоторых случаях, например для эталонных сигналов времени, манипуляция составляет менее

100%. Для демодуляции применяется обычный АМ детектор огибающей. Измерения глубины

модуляции с помощью обычного анализатора модуляции невозможны, поскольку отношение

уровней сигнала в режиме включения/выключения, как правило, неизвестно, но это можно сделать с

помощью осциллографа. Осциллограф может также использоваться для последующей оценки

сигнала. Данными, представляющими интерес, являются амплитуда, время нарастания сигнала и

выбросы, обусловленные временем затухания колебаний и установления избирательного фильтра,

что приводит к более широкому занимаемому спектру частот. Полоса пропускания приемника

должна выбираться достаточно широкой, для того чтобы приемник не изменял форму импульса.

4.6.3.3 Частотная манипуляция, ЧМн

Модулирующий и модулированный сигналы этого вида модуляции представлены на рис. 4-40. Для

демодуляции используется обычный ЧМ детектор или фильтр сигналов рабочей посылки/паузы (с

полосовыми фильтрами, каждый из которых настроен на частоту рабочей посылки и на частоту

паузы). Как видно из рисунка, уровень модулированного сигнала остается постоянным. Для

последующей оценки сигнала к ЧМ выходу постоянного тока измерителя модуляции может быть

подключен осциллограф.

- 295 -

Глава 4

Spec-0439

Мод

ли

ру

ющий сигнал

Время

АМн мод

ли

ованный сигнал

РИСУНОК 4-39

Амплитудная манипуляция

Модулирующий сигнал

Время

ЧМн модулированный сигнал

Spec-0440

РИСУНОК 4-40

Частотная манипуляция

Измерение девиации частоты может осуществляться либо обычным способом с помощью измерите-

лей модуляции, либо с помощью анализаторов сигнала, предназначенных для применения в связи.

Последние при их оснащении встроенными ЧМ демодуляторами позволяют проводить прямую

оценку восстановленного сигнала основной полосы частот во временнóй или в частотной областях.

- 296 -

Глава 4

4.6.3.4 Фазовая манипуляция, ФМн

Модулирующий и модулированный сигналы этого вида модуляции представлены на рис. 4-41 и в

работе [Anderson et al., 1986] . Как видно из рисунка, уровень модулированного сигнала остается

постоянным, но фаза переключается (в данном примере) на 180°, если модулирующий сигнал

изменяется от “0” до “1” (2-ФМн).

модулирующий сигнал

ФМн модулированный сигнал с переключением фазы на 180°

РИСУНОК 4-41

Фазовая манипуляция

Демодуляция сигналов ФМн требует применения специальных приемников или анализаторов

сигнала. Эти приборы обычно основаны на цифровой обработке сигналов (ЦОС), что позволяет

использовать их для оценки самых разных видов и параметров модуляции. Цифровые дисплеи с

микропроцессорным управлением обладают гибкостью, необходимой для создания большого числа

различных форматов отображения, применяемых для оценки этих сигналов.

Обычным способом демодуляции является использование смесителя, на гетеродинный вход

которого подается сигнал с частотой, точно равной частоте ФМн модулированного сигнала

(когерентная демодуляция). Для этой цели частоту гетеродина получают из модулированного

сигнала путем удвоения частоты, фильтрации в цепи фазовой автоподстройки частоты и деления на

два или с помощью так называемой схемы Костаса.

Как правило, ФМн применяется вместе с кодированием, тем самым снижаются требования к шири-

не полосы и обеспечиваются низкие уровни коэффициента ошибок по битам (ВЕR) даже при

небольших уровнях отношения сигнал/шум. ФМн с переключением на 180° называется 2-ФМн,

поскольку используются два положения фазы несущей частоты. Для более высокой эффективности

с точки зрения ширины полосы применяются также меньшие скачки фазы (90°, 45° или 22,5°)

соответственно для 4-ФМн, 8-ФМн и 16-ФМн. Однако ФМн высокого порядка требует, чтобы

отношение S/N было лучше при том же уровне ВЕR; но при этом обеспечивается преимущество в

виде существенного уменьшения ширины полосы для передачи той же информации.

Дополнительными средствами для дальнейшего уменьшения ширины полосы являются

специальные алгоритмы (сглаживание фазы вместо “жесткой манипуляции” фазы).

Теоретически амплитуда передаваемого ФМн сигнала остается постоянной во времени, но

ограничения ширины полосы за счет фильтрации и нелинейностей передающего оборудования

вызывают появление определенного вида дополнительной амплитудной модуляции [Mäusl, 1985]

(рис. 4-42), которую можно наблюдать на выходе АМ демодулятора измерителя модуляции или

приемника.

- 297 -

Глава 4

РИСУНОК 4-42

Огибающая сигнала 2-ФМн после прохождения полосового

фильтра (а) и нелинейностей (b)

Демодуляторы для ФМн сигналов не входят в состав обычных измерителей модуляции. Имеющиеся

в продаже некоторые виды приемников содержат в качестве возможных вариантов модули

цифровой обработки сигналов (ЦОС) или I/Q демодуляторы, которые полезны также при

последующей обработке ФМн сигналов, КАМ сигналов (см. § 4.6.3.4), а также СОFDМ сигналов

(см. § 4.6.3.5).

I/Q демодуляторы преобразуют синфазные и квадратурные фазовые составляющие сигнала в два

сигнала основной полосы частот, действуя также в качестве АМ и ЧМ детектора. Обе составляющие

могут быть представлены на экране осциллографа при подключении сигнала одной составляющей к

отклоняющим пластинам X, а сигнала другой – к пластинам Y. Необходимым условием для

получения неподвижного изображения является, однако, настройка измерителя модуляции точно на

несущую частоту принимаемого сигнала. Шаг настройки поэтому должен быть очень небольшим,

например 0,1 Гц. На рис. 4-43 показаны изображения на экране сигналов АМн, 2-ФМн и 4-ФМн.

АМн СИГНАЛ 2-ФМн СИГНАЛ 4-ФМн СИГНАЛ

РИСУНОК 93

Изображения на экране сигналов АМн, 2-ФМн и 4-ФМн

- 298 -

Глава 4

Квадратурное уплотнение несущей, которое может достигаться посредством квадратурной

амплитудной модуляции (КАМ), использует фазовый сдвиг несущей и синхронную

модуляцию/демодуляцию, для того чтобы позволить двум ортогональным двухполосным сигналам с

подавленной несущей (DSB-SC) занять ту же полосу частот [Lее, 1986; Саrlson, 1986]. По этой

причине модуляция КАМ эффективна с точки зрения использования спектра при степени занятости,

приближающейся к 4 бит/с/Гц для 16-позиционной КАМ.

Информация содержится как в амплитуде, так и фазе модулированного сигнала, как показано на

рис. 4-44. Поскольку модуляция КАМ может иметь, например, до 256 позиций, стоимость

обеспечения эффективности использования спектра определяется точностью, требуемой при

передаче и приеме этих близко скомпонованных позиций.

(0000)

(1111)

РИСУНОК 4-44

Схема позиций сигнала для 16-позиционной модуляции КАМ

Точность модуляции проверяется (или оценивается) путем определения I/Q составляющих

принимаемого сигнала и сравнения с эталонным вариантом для выбранного формата тех же данных.

Для модуляции КАМ типичное измерение параметров качества модуляции включает определение

точности передачи желаемой позиции, то есть измерение того, насколько амплитуда и фаза

передаваемого сигнала близки к идеальной амплитуде и фазе, установленным для этой позиции.

Примерами таких измерений являются различные параметры точности модуляции, включая

значения векторной ошибки, разбаланс составляющих I/Q и т. д. В качестве индикатора качества

используется также коэффициент ошибок по битам (ВЕR).

4.6.3.5 Частотное уплотнение кодированных ортогональных сигналов, СОFDМ

СОFDМ представляет собой метод объединения большого числа модулированных в цифровом виде

несущих для образования ансамбля [Саrlson, 1986], [Lymer, 1994]. Сигналы генерируются с

использованием обратного быстрого преобразования Фурье и демодулируются с использованием

быстрого преобразования Фурье (БПФ). СОFDМ позволяет разделять информацию в канале между

большим числом несущих (1536 для европейского звукового радиовещания в формате DAB), а

длительность символа увеличить до 1,25 мс для DAB. Общая скорость передачи битов и ширина

полосы пропускания канала сохраняются теми же, что и для случая одной несущей при