Сигналы с однополосной модуляцией

В случае тональной модуляции спектр балансно-модулированного сигнала состоит из верхней и нижней боковых частот (рис. 8).

Рис. 8. Спектр балансно-модулированного сигнала

Уточним временное представление балансно-модулированного сигнала (15).

U_БМ(t)= m_AMU_m cos W t cos w_H t (16)

Из (16) видно, что колебание балансной модуляции – колебание смешанной модуляции по амплитуде и по фазе (рис. 9).

Рис. 9. Колебание балансной модуляции

Моментом смены полярности модулирующего колебания соответствуют скачки фазы модулированного колебания на p. Огибающая балансно-модулированного сигнала изменяется по закону изменения модуля модулирующего колебания.

Сигналы балансной модуляции получают, используя кольцевые схемы преобразователей. Балансная модуляция самостоятельного широкого применения не нашла. На практике БМ применяют при получении однополосной модуляции (ОМ).

Балансная модуляция позволяет более рационально распределить энергию колебания, однако, ширина спектра остается такой же, как и при АМ. Симметрия спектра означает, что верхняя боковая полоса частот (ВБП) и
нижняя боковая полоса частот (НБП) каждая в отдельности отображают
модулирующее колебание. Вторая боковая полоса не несет никакой дополнительной информации, вдвое расширяя спектр.

Вид модуляции, при котором в спектре АМ сигнала сохраняется лишь одна боковая полоса, называется однополосной модуляцией (ОМ). Аналитическую форму записи ОМ сигнала получим, используя (8), где каждое слагаемое соответствует определенной спектральной составляющей: несущей частоте, боковым частотам (полосам частот). Поэтому, для сигнала ОМ можно записать

, (17)

где a - коэффициент пропорциональности;

U_mW(t) – огибающая модулирующего сигнала;

j_W(t) – мгновенная фаза модулирующего сигнала.

Знак в аргументе косинуса зависит от выделяемой полосы ВБП или НБП, Множитель aU_mW(t) – огибающая однополосного колебания, w_нt ± j_W(t) – мгновенная фаза.

Для тональной модуляции U_W(t) = U_mW cos W t выражение (17) примет вид

(18)

Спектральные представления сигналов АМ, БМ и ОМ сигналов при модуляции группой частот показаны на рис. 10.

ОМ представляет собой колебание, модулированное одновременно и по амплитуде и по фазе. Огибающая однополосного сигнала повторяет огибающую модулирующего сигнала.

Рис. 10. Спектральное представление АМ, БМ и ОМ сигналов

Однополосная модуляция имеет большое практическое значение и различных системах войсковой связи. Она обладает следующими достоинствами:

1. Сигнал ОМ занимает полосу в два раза меньшую, чем сигнал АМ. По существу, модулированное колебание имеет спектр такой же ширины, как и модулирующее колебание. Это позволяет в заданной полосе частот «разместить» больше сигналов, чем при обычной АМ. Кроме того, появляется возможность использовать в приемном устройстве более узкую полосу пропускания и тем самым уменьшить проникновение помех.

2. При ОМ не расходуется мощность на колебание несущей частоты и одной боковой полосы, за счет чего можно увеличить мощность колебания передаваемой боковой полосы, а следовательно, и дальность связи. Кроме того, при отсутствии модулирующего сигнала («режим молчания») колебательная мощность вообще не расходуется.

Однако реализация ОМ связана с определенными техническими трудностями, как с точки зрения передачи, так и приема. Формирование однополосного сигнала гораздо сложнее, чем обычного АМ сигнала.

Экспериментально установлено, что переход от АМ к ОМ эквивалентен выигрышу мощности передатчика в 16 раз.

В настоящее время известны несколько способов формирования однополосных сигналов:

- фильтровой, или способ последовательных преобразований частоты с фильтрацией;

- фазокомпенсационный, или фазоразностный;

- фазофильтровый;

- синтетический.

В основу фильтрового способа (рис. 11) положено выделение с помощью фильтра из спектра АМ сигнала одной из боковых полос частот. Вначале с помощью кольцевого преобразователя частоты формируется ОМ сигнал на частоте f₁. На выходе преобразователя включен полосовой фильтр (ПФ), с помощью которого подавляется неиспользуемая полоса частот. Колебание несущей подавляется в самом преобразователе. Второй преобразователь частоты преобразует спектр сигнала в область второй частоты f₂, f₂ > f₁. Второй ПФ выделяет сигнал ВБП, отстоящий от НБП на величину 2f₁. Такая значительная расстройка между боковыми полосами позволяет подавить неиспользуемую полосу частот с помощью относительно простых фильтров.

Рис. 11.

Спектральные диаграммы проводимого преобразования показаны на рис. 12.

Рис. 12. Спектральные диаграммы проводимого преобразования

Сущность фазокомпенсационного способа заключается в том, что при формировании однополосного сигнала в результате нелинейных преобразований модулирующего и несущего колебаний создаются необходимые условия (фазовые соотношения) для компенсации (подавления) колебаний несущей частоты и неиспользуемой боковой полосы частот.

Схема формирования однополосного сигнала данным способом приведена на рис. 13. Балансные преобразования частоты в схеме выполняют функции перемножения составляющих модулирующего и несущего колебаний. На выходе первого балансного преобразователя образуются колебания двух боковых частот, т.е.

(19)

а на выходе второго преобразователя

(20)

На выходе сумматора после взаимной компенсации верхних боковых частот w₀+W выделяется колебание нижней боковой частоты

U_OM(t) = U₀ cos (w₀ - W)t (21)

При замене сложения вычитанием можно получить колебание верхней боковой частоты.

Рис. 13. Схема формирования однополосного сигнала
фазокомпенсационным способом

Достоинством фазокомпенсационного способа является возможность формирования однополосных сигналов непосредственно в диапазоне рабочих частот без применения, в отличие от фильтрового способа, сложных фильтров и последовательного преобразования несущей частоты. Наибольшие затруднения при реализации фазокомпенсационного способа формирования однополосного сигнала возникают при разработке фазовращателей модулирующих сигналов. Эти фазовращатели должны обеспечивать постоянство фазового сдвига колебаний и коэффициента передачи во всей полосе частот модулирующего сигнала, т.е. фазовращатели должны быть широкополосными.