Лекция №36. РПрУ импульсных и дискретных сигналов. Приём телеграфных сигналов

36.1 Приём телеграфных сигналов

При передаче телеграфных сигналов применяются сигналы, имеющие ограниченное числом возможных значений по фазе, частоте или амплитуде. Часто такие сигналы называют дискретными. Наиболее распространены двоичные сигналы с посылками, эквивалентными 0 и 1. С помощью комбинации элементарных посылок кодируют символы, знаки, слова и цифры, а в выходном устройстве последовательности посылок регистрируются и декодируются.

Основными характеристиками РПрУ дискретных сигналов являются скорость работы в радиоканале, вид модуляции (по отношению к радиоимпульсным сигналам модуляция называется манипуляцией) и ширина спектра сигнала.

Скорость передачи информации определяется количеством передачи элементарных посылок, передаваемых в единицу времени:

$V_{0} = 1 / t_{0}$ ,

где t₀ - длительность одной посылки, измеряется в бодах.

Производными параметрами скорости являются количество стандартных слов, передаваемых за одну минуту, и частота манипуляции, которая равна частоте первой гармоники передаваемой двоичной последовательности $K_{ман} {= 1 / (2 t}_{0})$ .

Энергетические спектры дискретных сигналов сосредоточены в относительно узкой полосе частот. Практически 90% энергии сигнала сосредоточено в полосе $Δ {F = 2 F}_{ман} {= 1 / t}_{0}$ .

36.1.1 Приём сигналов с амплитудной манипуляцией

Основными методами являются следующие.

1. Метод гетеродинирования.

К амплитудному детектору (смесителю) подводится высокочастотное колебание с частотой сигнала и колебание сигнала гетеродина (рис. 36.1), отличающееся по частоте на величину F_зв=800…1000 Гц. На выходе детектора появится низкочастотное колебание с разностной частотой, длительность которого равна длительности входного сигнала.

Рис. 36.1

2. Метод модуляции.

Принятое высокочастотное колебание модулируется низкочастотным сигналом от звукового генератора ЗГ (рис. 36.2). Далее полученное колебание детектируется и на выходе выделяется низкочастотный сигнал звуковой частоты.

Рис. 36.2

3. Метод тональной манипуляции

Через выходной ключ на диодах VD2 и VD3 сигнал звукового генератора передаётся на выход (рис. 36.3). Управление ключом осуществляется напряжением с выхода детектора на диоде VD1. В первоначальном состоянии диоды закрыты постоянным напряжением Е_о. При появлении на входе высокочастотной посылки на выходе детектора появляется отрицательное напряжение, которое открывает ключ.

Рис. 36.3

36.1.2 Приём сигналов с фазовой манипуляцией

При абсолютной фазовой манипуляции посылке ”1” (телеграфный ключ в состоянии “нажато”) соответствует одна фаза сигнала, посылке ”0” (телеграфный ключ в состоянии “отжато”) – со сдвигом на 180 градусов. Для детектирования применяется фазовый детектор с синхронным гетеродином. Недостаток – нестабильность фазы сигнала из-за изменения условий распространения радиоволн. В результате происходит нарушение нормального приёма сигналов.

При относительной фазовой манипуляции (ОФМ) изменение фазы сигнала на 180 градусов производится только в том случае, если следующая посылка ”1”. Формирование модулированного сигнала для исходного напряжения модуляции U_м поясняется на рис. 36.4.

Рис. 36.4

Рис. 36.5

Детектирование сигнала с ОФМ может быть произведено с помощью структуры, представленной на рис. 36.5. На фазовый детектор поступает входной сигнал и опорный сигнал, в качестве которого используется входной сигнал с задержкой на время передачи одной элементарной посылки. Выходное напряжение фазового детектора будет положительным при совпадении фаз входного и опорного сигналов и отрицательным - при отличии фаз на 180 градусов.

При ОФМ ошибка из-за нестабильности фазовых соотношений может возникнуть только за время, равное длительности одной элементарной посылки. Это делает систему с ОФМ значительно более помехоустойчивой.

36.1.3 Приём сигналов с частотной манипуляцией

Состоянию телеграфного ключа “нажато” соответствует излучение на частоте f_н, состоянию “отжато” – на частоте f_o. Для детектирования применяется разделение сигналов с помощью канальных фильтров и последующим детектированием амплитудными детекторами (рис. 36.6).

Рис. 36.6

По линии связи можно с помощью одного передатчика можно передавать телеграфные сообщения от n аппаратов. Каждой комбинации передаваемых посылок от n источников сообщений соответствует излучение колебаний на одной фиксированной частоте. Общее число фиксированных частот равно 2n. Наибольшее распространение получила система двойного частотного телеграфирования (ДЧТ). Структурная схема приёмника сигналов с ДЧТ приведена на рис. 36.7.

Рис. 36.7

Возможные сочетания посылок и соответствующие им частоты сигналов приведены в табл. 36.1.

Таблица 36.1

Знак посылки аппарата 1	“0”	“1”	“0”	“1”
Знак посылки аппарата 2	“0”	“0”	“1”	“1”
Частота излучения	f₁	f₂	f₃	f₄

Состояния “нажато” фиксируются при подаче напряжений положительной полярности на входы Н1 и Н2, “отжато” – на входы О1 и О2.

Специфические искажения:

1) при асинхронной работе появляются импульсы с длительностью меньше длительности элементарной посылки;

2) при переходе от f₄ к f₁ возможно появление промежуточных частот и, следовательно, ложное срабатывание.

36.2 Структурные схемы связных РПрУ

Основные структуры супергетеродинных связных приёмников с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) до детекторов (рис. 36.8):

а) с квадратурными АЦП на промежуточной частоте;

б) с неквадратурными АЦП на промежуточной частоте;

в) с квадратурными АЦП на нулевой или очень низкой промежуточной частоте.

Рис. 36.8

В первых двух структурах пассивные полосовые фильтры (обычно на поверхностно-акустических волнах ПАВ) вносят большое затухание, что снижает требования к линейности и динамическому диапазону последующих усилительных ступеней. Но такие фильтры плохо поддаются интегрализации и относительно дороги.

Третья структура позволяет ввести активную или цифровую фильтрацию. Требования к линейности компонентов высокие, так как они чувствительны к нелинейностям чётных порядков (изменение постоянной составляющей).

Проблемы в приёмниках с нулевой ПЧ:

а) излучение гетеродина в эфир вызывает интерференцию с другими сигналами и их совместное преобразование в нулевую частоту, что приводит к нежелательному искажению полезного сигнала;

б) изменение режима по постоянному току и шумовые процессы также искажают полезный сигнал.

В приёмниках с почти нулевой ПЧ нет проблемы смещения по постоянному току и они менее чувствительны к шумам. Но возникает проблема согласования усиления и фаз квадратурных составляющих из-за влияния зеркального канала. Однако практически все проблемы решаются при цифровой обработке сигнала.

36.3 Приём сигналов в оптическом диапазоне

Рис. 36.9

Приёмники оптического диапазона выполняются по схеме приёмника прямого усиления (рис. 36.9,а), а также супергетеродинного типа (рис. 36.9,б).

В качестве антенн обычно используются телескопы. На входе приёмника включены оптические фильтры ОФ, представляющие собой линзовые системы. Усилители оптического сигнала (УОС) – это обычно квантово-механические усилители или недовозбуждённые лазеры. В качестве детекторов используются фотоэлектрические преобразователи: фотосопротивления, фотодиоды и т.д. В приёмнике супергетеродинного типа первый гетеродин представляет собой генератор оптических колебаний ГОК, а смеситель является фотосмесителем. Первая ПЧ принадлежит диапазону сантиметровых волн.

Найдём предельное значение чувствительности приёмника оптического диапазона P_с.min.

Понятие коэффициента шума в данном случае неприменимо, так как с ростом сигнала растет и шум, определяемый дискретность кванта.

Фотодетектор характеризует квантовая эффективность:

$η = \frac{n_{э л}}{p_{ф о т}}$ , (36.1)

где n_эл – число фотоэлектронов на выходе фотодетектора,

p_фот- число фотонов действующих на фотодетектор.

Типовые значение η=0,8…0,9 .

Пусть мощность оптического сигнала равна Р_с, тогда число фотонов в одну секунду равно

$p_{1. ф о т} = \frac{P_{с}}{h f}$ , (36.2)

где hf - энергия кванта, h - постоянная Планка, f - частота оптического колебания.

Выходной ток фотодетектора равен заряду электрона, умноженному на число электронов

$I_{c} = e n_{э л}$ . (36.3)

Тогда, учитывая (36.1) и (36.2), получаем

$I_{c} = e η \cdot \frac{P_{c}}{h f}$ . (36.4)

Но этот же ток определяет и шумовой ток

$I_{ш} = \sqrt{2 e I_{c} Δ f_{эфф}}$ . (36.5)

Таким образом, отношение сигнал-шум можно записать в следующем виде

$γ = \frac{I_{c}}{I_{ш}} = \frac{I_{c}}{\sqrt{2 e I_{c} Δ f_{эфф}}} = \sqrt{\frac{I_{c}}{2 e Δ f_{эфф}}}$ . (36.6)

После подстановки (36.5) получаем, что реальная чувствительность приёмника оптического диапазона равна

$P_{c . \min} = \frac{2 γ^{2} h f Δ f_{эфф}}{η}$ . (36.7)

Вследствие сильного влияния метеоусловий на работу открытых линий оптической связи наибольшее распространение получили световодные и волоконно-оптические линии связи. Эти линии защищены от фоновых засветок и обладают стабильными характеристиками. На линиях световодной связи широко используются импульсные и цифровые методы модуляции.

36.4 Телевизионные приёмники

Спектр входного телевизионного сигнала представляет собой амплитудно-модулированную несущую изображения f_н.и с частичным подавлением одной боковой полосы и частотно-модулированную поднесущую звукового сопровождения f_н.з (рис. 36.10).

Рис. 36.10

Телевизор представляет собой двухканальный РПрУ для обеспечения одновременного приёма сигналов изображения и звукового сопровождения. Обычно телевизионное РПрУ реализуют с объединенным радиотрактом и разделением каналов изображения и звука после детектора (рис. 36.11).

Рис. 36.11

Входной сигнал после настройки, усиления, преобразования в селекторе каналов СК, фильтрации, усиления в УПЧ и детектирования в видеодетекторе Д разделяется на составляющие изображения и звука. Видеосигнал изображения после усиления в видеоусилителе ВУ поступает в блок цветности БЦ и далее подаётся на кинескоп и одновременно в блок синхронизации и развёрток изображения БСР, а составляющая звука после детектирования в ЧД и усиления в УЗЧ - на звуковую головку.

Для обеспечения нормальной яркости и контрастности в пределах зоны обслуживания РПдУ предусмотрена система АРУ. В качестве регулирующего напряжения АРУ используется амплитуда импульсов синхронизации, которая не зависит от характера изображения (рис. 36.12).

Рис. 36.12

В цветном телевизионном вещании передаются три цвета изображения: красный (R), зеленый (G) и синий (B). На передающей стороне цветовые сигналы складываются с определёнными весовыми коэффициентами, образуя яркостный сигнал Y и цветоразностные сигналы R-Y и B-Y. В спектре радиосигнала наибольшую полосу занимает яркостный сигнал, а полосы цветоразностных сигналов составляют по 1,5 МГц.

В системах NTSC и PAL цветоразностные составляющие передаются с помощью квадратурной модуляции поднесущей 3,58 или 4,43 МГц.

Цветоразностные сигналы в системе СЕКАМ передаются поочерёдно: на одной строке изображения один из них, а на следующей - другой. Для их передачи служат две ЧМ-поднесущие, которые расположены внутри полосы яркостного сигнала.