Системы связи 2 (стр. 4 из 9)

Рис. 9. Широтно-импульсная модуляция.

Приведенные выше модуляционные схемы — лишь некоторые представители большого числа используемых методов. Подчеркнем, что рассмотренная здесь ИМ-модуляция относится к модуляции поднесущей, т. е. модуляции последовательности импульсов, которые затем используются в системах AM или ЧМ. Речь идет о двух следующих друг за другом модуляциях. Во-первых, информация модулирует последовательность импульсов. Здесь может быть использована АИМ, ШИМ, ЧИМ, КИМ или любой другой вид модуляции. Во-вторых, содержащая информацию поднесущая модулирует синусоидальную несущую.

Частотно-импульсная модуляция синусоидальной несущей приводит к Dw_н -девиации частоты несущей скачкообразным отклонением от несущей. Например, частотная модуляция логических уровней «0» и «1» (0 В и 5В) дает две частоты — w_н (для логического уровня «0») и w_н+Dw_н (для уровня «5»). По существу, мы просто сдвигаем частоту несущей от w к w_н+Dw_н для изображения логического уровня «1». Этот тип частотной модуляции называется также и частотной манипуляцией и обычно используется в передаче сигналов с помощью телеграфа и других цифровых устройств связи. Для восстановления логических уровней из частотно-манипулированной несущей может быть использована цепь фазовой автоподстройки (ФАП).

Методы импульсной модуляции очень широко распространены в приложениях телеметрии.

3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

3.1. ТЕЛЕМЕТРИЯ.

Телеметрией называется проведение измерений на расстоянии и передача данных к месту их обработки и (или) хранения. Типичная телеметрическая система содержит, как показано на рис. 10, три основные части:

Рис. 10. Типичная телеметрическая система.

1) источник данных, который обычно является датчиком, преобразующим измеряемые параметры в электрические сигналы; 2) способ передачи данных; 3) приемное устройство и восстановление переданных данных. Содержание этого раздела будет сконцентрировано на различных методах передачи. Рассматривая методы телеметрии, будем сосредотачивать внимание на способах, обеспечивающих наиболее эффективное использование линии связи.

Что подразумевается под эффективным использованием линии связи, показывает следующий пример. Рассмотрим амплитудную модуляцию несущей с частотой 100 МГц (рис. 11). Предположим, что допустимая ширина полосы передачи составляет ±5 кГц. Информация, модулирующая несущую, имеет ширину полосы частот 1 кГц. Из того, что мы знаем об амплитудной модуляции, находим, что модулированная несущая будет иметь полосу 100 МГц ± 1 кГц. Это — полоса, необходимая для передачи данных с полосой 1 кГц. Ясно, что будет непроизводительно при полосе ±5 кГц занимать передаваемой информацией только полосу ±1 кГц. Теоретически в полосе ±5 кГц можно передать пятикратное число данных, содержащихся в полосе 1 кГц. Вообще говоря, на одной несущей 100 МГц мы могли бы передавать пять каналов данных с полосами по 1 кГц. Для такого увеличения эффективности передачи разработаны разные методы. Чаще всего используются методы частотного разделения (или частотного уплотнения каналов) и временного разделения (или временного уплотнения каналов).

Рис. 11. Несущая 100 МГц с амплитудной модуляцией, w_м=0±1 кГц, разрешенная полоса w_р=±5 кГц.

3.1.1. Частотное разделение каналов (частотное уплотнение линии связи).

Типичная для телеметрии несущая частота 230 МГц может быть использована с полосой ±320 кГц (стандарты ВМФ н ВВС США). Это означает, что при использовании ее в амплитудной модуляции (AM) информация, которую можно передать без искажений, может иметь ширину полосы 320 кГц. Однако большинство приложений телеметрии оперирует сигналом с гораздо более узкой полосой. Для определенности положим, что ширина полосы частот сигнала составляет 4 кГц. Вместо непосредственной модуляции этим сигналом несущей 230 МГц можно сначала модулировать поднесущую с частотой, к примеру, 32 кГц. Модуляция поднесущей образует сигнал с частотой 32 ± 4 кГц (в случае AM). Промодулированной поднесущей можно теперь модулировать несущую 230 МГц. На рис. 12 показаны частотные полосы, использованные в такой передаче. Остальная часть полосы ±320 кГц не используется. Имеется возможность использовать и другую поднесущую, например 44 кГц, для другого источника данных с аналогичной полосой и получить модулированную поднесущую 44 ± 4 кГц (показанную штриховыми линиями на рис. 12). Очевидно, что можно заполнить разрешенную полосу частот ± 320 кГц большим числом поднесущих, переносящих информацию от большого числа источников. В этом примере полоса частот информации была произвольно ограничена значением 4 кГц. Можно отметить, что модулированные поднесущие отделяет неиспользованная полоса (здесь 4 кГц), 32 ± 4 кГц (полоса от 28 до 36 кГц) и 44 ± 4 кГц (от 40 до 48 кГц), т. е. имеется пустой интервал 4 кГц между высшей частотой нижней поднесущей (36 кГц) и низшей частотой верхней поднесущей (40 кГц). Это отделение необходимо, чтобы предотвратить взаимные помехи между каналами и позволить осуществить разделение поднесущих на приемном конце системы. Рассмотренный пример представляет собой АМ/АМ-телеметрическую систему, где как поднесущая, так и несущая являются амплитудно-модулированными.

Рис. 12. Поднесущие: несущая частота 230МГц, полоса поднесущей ±4 кГц.

Уплотнения в два раза можно достигнуть благодаря использованию передачи на одной боковой полосе, т. е. передачи сигнала модулированной поднесущей, состоящего только из верхней полосы 32— 36 кГц или из нижней полосы 28—32 кГц. Всякий раз, когда это возможно, используется такая однополосная передача. На рис. 13 показан ряд частотных фильтров, которые требуются при разделении каналов с двумя боковыми полосами (рис. 12).

Рис. 13. Фильтрация при частотном разделении.

Здесь F₁, F₂ и F₃ — три поднесущие, a Df₁,Df₂ и Df₃ — полосы частот этих поднесущих (в данном случае ±4 кГц = 8 кГц). Для обеспечения минимального взаимного влияния необходимо, чтобы точка пересечения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров была бы на 80 дБ ниже максимума. Необходимо подчеркнуть, что Df₁,Df₂ и Df₃ не обязательно должны быть одинаковыми: их значения определяются характером информации. На рис. 14 приведена упрощенная функциональная схема трехканальной системы связи с частотным разделением.

Рис. 14. Частотное разделение. Функциональная схема передатчика и приемника с тремя каналами.

Каждый источник данных модулирует поднесущую определенной частоты. Источник № 1 связан с поднесущей частотой F₁ и т. д. Все модулированные поднесущие затем объединяются смесителем для модуляции несущей и передаются к приемнику. Приемник воспроизводит исходный сигнал, который модулировал несущую, а именно набор поднесущих. Поднесущие разделяются набором частотных фильтров, каждый из которых создает полосу пропускания, согласующуюся с определенной поднесущей. Фильтр 1 пропускает полосу частот вокруг центральной частоты F₁ поднесущей 1 и т. д. (рис. 13). Выходной сигнал каждого фильтра состоит из амплитудно-модулированной поднесущей, модулирующий сигнал которой соответствует определенному источнику данных. Отметим, что в схеме используются два детектора. Первый «детектирует» или воспроизводит модуляцию несущей, в то время как второй восстанавливает модуляцию поднесущей. Этого и следовало ожидать, так как система состоит из двух последовательных амплитудных модуляции (АМ/АМ). Таким образом, имеется система связи, в которой для каждого источника данных предназначен определенный диапазон частот. Для обеспечения приема на двойной полосе каждый фильтр должен обладать полосой пропускания для двух частотных диапазонов, соответствующих верхней и нижней боковой полосе. Обе боковые полосы определенного капала затем объединяются для образования выходного сигнала этого канала.

Система, рассмотренная выше, является АМ/АМ-системой. Другие схемы модуляции, такие, как AМ/ЧМ или ЧМ/ЧМ, часто используются в телеметрии.

Использование спектра радиочастот для телеметрии и других приложений регулируется различными правительственными учреждениями США. Комиссия по радиодиапазонам (IRIG) выпустила набор стандартов для телеметрии, пересмотренный в мае 1973 г. Обсудим некоторые из этих стандартов, имеющие отношение к ЧМ/ЧМ-системам телеметрии.

Для применений телеметрии предназначен 21 канал с центрами поднесущей, расположенными в пределах от 400 Гц до 165 кГц. Подробные сведения о всех несущих приведены в таблице на рис. 15.

Канал	Центральная частота, Гц	Нижняя граница девиации, Гц	Верхняя граница девиации, Гц	Номинальная полоса частот, Гц	Номинальное время нарастания, мс	Максималь-ная полоса частот, Гц	Минимальное время нарастания, мс
			Каналы ±7,5 %
1	400	370	430	6	58	30	11,7
2	560	518	602	8	42	42	8,33
3	730	675	785	11	32	55	6,40
4	960	886	1032	14	42	72	4,86
5	1300	1202	1398	20	18	98	3,60
6	1700	1572	1828	25	14	128	2,74
7	2300	2127	2473	35	10	173	2,03
8	3000	2775	3225	45	7,8	225	1,56
9	3900	3607	4193	59	6,0	293	1,20
10	5400	4995	5805	81	4,3	405	0,864
11	7350	6799	7901	110	3,2	551	0,635
12	10500	9712	11288	160	2,2	788	0,444
13	14500	13412	15588	220	1,6	1088	0,322
14	22000	20350	23650	330	1,1	1650	0,212
15	30000	27750	32250	450	0,78	2250	0,156
16	40000	37000	43000	600	0,58	3000	0,117
17	52500	48562	56438	790	0,44	3938	0,089
18	70000	64750	75250	1050	0,33	5250	0,067
19	93000	86025	99975	1395	0,25	6975	0,050
20	124000	114700	133 300	1860	0,19	9300	0,038
21	165000	152624	177375	2475	0,14	12375	0,029
			Каналы ±15 %
A	22000	18700	25300	660	0,53	3300	0,106
В	30000	25500	34500	900	0,39	4500	0,078
С	40000	34000	46000	1200	0,29	6000	0,058
D	52500	44625	60375	1575	0,22	7875	0,044
Е	70000	59500	80500	2100	0,17	10500	0,033
F	93000	79050	106950	2790	0,13	13950	0,025
G	124000	105400	142600	3720	0,09	18600	0,018
Н	165000	140250	189750	4950	0,07	24750	0,014

Рис. 15. Каналы поднесущих с пропорциональной полосой частот. (Из JRIG, Telemetry Standards.)