Виды радиосигналов и их основные характеристики

Радиосигналами называют электромагнитные волны или электрические высокочастотные колебания, которые заключают в себе передаваемое сообщение. Для образования сигнала параметры высокочастотных колебаний изменяются (модулируются) с помощью управляющих сигналов, которые представляют собой напряжение, изменяющееся по заданному закону. В качестве модулируемых обычно используются гармонические высокочастотные колебания:

где w₀=2π f ₀ – высокая несущая частота;

U ₀ – амплитуда высокочастотных колебаний.

К наиболее простым и часто используемым управляющим сигналам относятся гармоническое колебание

,

где Ω – низкая частота, много меньшая w₀; ψ – начальная фаза; U _m – амплитуда, а также прямоугольные импульсные сигналы, которые характеризуются тем, что значение напряжения U _упр(t)= U в течение интервалов времени τ_и, называемых длительностью импульсов, и равно нулю в течение интервала между импульсами (рис.1.13). Величина T _и называется периодом повторения импульсов; F _и=1/ T _и – частота их повторения. Отношение периода повторения импульсов T _и к длительности τ_и называется скважностью Q импульсного процесса: Q = T _и/τ_и.

Рис.1.13. Последовательность прямоугольных импульсов

В зависимости от того, какой параметр высокочастотного колебания изменяется (модулируется) с помощью управляющего сигнала, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

При амплитудной модуляции (АМ) высокочастотных колебаний низкочастотным синусоидальным напряжением частотой Ω_мод образуется сигнал, амплитуда которого изменяется во времени (рис.1.14):

Параметр m = U _m/ U ₀ называют коэффициентом амплитудной модуляции. Его значения заключены в интервале от единицы до нуля: 1≥m≥0. Коэффициент модуляции, выраженный в процентах (т.е. m ×100%), называется глубиной амплитудной модуляции.

Рис. 1.14. Амплитудно-модулированный радиосигнал

При фазовой модуляции (ФМ) высокочастотного колебания синусоидальным напряжением амплитуда сигнала остается постоянной, а его фаза получает дополнительное приращение Δy под воздействием модулирующего напряжения: Δy= k _ФМ U _м sinW_мод t, где k _ФМ – коэффициент пропорциональности. Высокочастотный сигнал с фазовой модуляцией по синусоидальному закону имеет вид

.

При частотной модуляции (ЧМ) управляющий сигнал изменяет частоту высокочастотных колебаний. Если модулирующее напряжение изменяется по синусоидальному закону, то мгновенное значение частоты модулированных колебаний w=w₀+ k _ЧМ U _м sinW_мод t, где k _ЧМ – коэффициент пропорциональности. Наибольшее изменение частоты w по отношению к ее среднему значению w₀, равное Δw_М= k _ЧМ U _м, называется девиацией частоты. Частотно-модулированный сигнал может быть записан следующим образом:

Величина, равная отношению девиации частоты к частоте модуляции (Δw_м/W_мод = m _ЧМ), называется коэффициентом частотной модуляции.

На рис.1.14 изображены высокочастотные сигналы при АМ, ФМ и ЧМ. Во всех трех случаях используется одинаковое модулирующее напряжение U _мод, изменяющееся по симметричному пилообразному закону U _мод(t)= k _мод t, где k _мод>0 на отрезке времени 0 t ₁ и k _мод<0 на отрезке t ₁ t ₂ (рис.1.15,а).

При АМ частота сигнала остается постоянной (w₀), а амплитуда изменяется по закону модулирующего напряжения U _АМ(t) = U ₀ k _мод t (рис.1.15,б).

Частотномодулированный сигнал (рис.1.15,в) характеризуется постоянством амплитуды и плавным изменением частоты: w(t) = w₀+ k _ЧМ t. На отрезке времени от t =0 до t ₁ частота колебаний увеличивается от значения w₀ до значения w₀+ k _ЧМ t ₁, а на отрезке от t ₁ до t ₂ частота уменьшается опять до значения w₀.

Фазомодулированный сигнал (рис.1.15,г) имеет постоянную амплитуду и скачкообразное изменение частоты. Поясним это аналитически. При ФМ под воздействием модулирующего напряжения

Рис.1.15. Сравнительный вид модулированных колебаний при АМ, ЧМ и ФМ:
а – модулирующее напряжение; б – амплитудно-модулированный сигнал;
в – частотно-модулированный сигнал; г – фазомодулированный сигнал

фаза сигнала получает дополнительное приращение Δy= k _ФМ t, следовательно высокочастотный сигнал с фазовой модуляцией по пилообразному закону имеет вид

.

Таким образом, на отрезке 0 t ₁ частота равна w₁>w₀, а на отрезке t ₁ t ₂ она равна w₂<w₀.

При передаче последовательности импульсов, например, двоичного цифрового кода (рис.1.16,а), также может использоваться АМ, ЧМ и ФМ. Такой вид модуляции называется манипуляцией или телеграфией (АТ, ЧТ и ФТ).

Рис.1.16. Сравнительный вид манипулированных колебании при АТ, ЧТ и ФТ

При амплитудной телеграфии образуется последовательность высокочастотных радиоимпульсов, амплитуда которых постоянна в течение длительности модулирующих импульсов τ_и, и равна нулю все остальное время (рис.1.16,б).

При частотной телеграфии образуется высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой, и частотой, принимающей два возможных значения (рис.1.16,в).

При фазовой телеграфии образуется высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой и частотой, фаза которого изменяется на 180° по закону модулирующего сигнала (рис.1.16,г).

Спектры сигналов

Важной характеристикой каждого сигнала является его спектр, определяющий распределение амплитуды сигнала по частотам. Математически спектр сигнала описывается спектральной плотностью, которая представляет собой преобразование Фурье от временной функции сигнала:

.

Таким образом, если известно выражение сигнала как функции времени, то можно определить его спектр. Наиболее простым является спектр гармонического колебания u (t) = U ₀ cosw₀ t, представляющий собой одну составляющую на частоте w₀ (рис.1.17,а). Для определения частотных составляющих спектра амплитудно-модулированного сигнала u _АМ(t) = U ₀ (1+ m cosΩ t) cosw₀ t достаточно произвести простые преобразования.

u _АМ(t) = U ₀ (1+ m cosΩ t) cosw₀ t = U ₀ cosw₀ t + U ₀ m cosΩ t cosw₀ t.

Так как , то можно записать

.

Как можно видеть, данный сигнал образован тремя слагаемыми с разными частотами: колебаниями на несущей частоте w₀ и двумя боковыми составляющими с частотами w₀+Ω и w₀–Ω. Таким образом, спектр этого сигнала состоит из трех составляющих – центральной (несущей) с амплитудой U ₀, и двух боковых с амплитудами mU ₀/2 (рис.1.17,б).

 

Рис. 1.17. Спектры колебаний: а) простого гармонического; б) амплитудно-модулированного при модуляции одним тоном

 

Разность частот крайних составляющих спектра называется шириной спектра Δw_сп. Ширина рассматриваемого спектра равна удвоенному значению частоты модуляции (Δw_сп =2Ω).

Управляющий (модулирующий) сигнал может иметь более сложный вид, чем рассмотренный выше. Человеческая речь, например, представляет собой случайный сигнал, заключенный в определенной полосе частот [Ω_min Ω_max]. Спектр высокочастотного амплитудно-модулированного сигнала в данном случае будет включать несущую и боковые составляющие с шириной
DW = Ω_max – Ω_min каждая и случайной амплитудой (рис.1.18). Ширина спектра такого сигнала равна 2Ω_max.

 

Рис. 1.18. Спектр амплитудно-модулированного колебания
при модуляции голосом

Спектр частотно-модулированного и фазомодулированного сигналов теоретически бесконечно широк. При модуляции по синусоидальному закону с частотой W спектр включает несущую частоту w₀ и бесконечно большое число боковых составляющих, частоты которых равны w₀± n W, а n принимает все целые значения от единицы до бесконечности. Однако при увеличении n амплитуды составляющих спектра быстро уменьшаются. Если считать, что ширина спектра ЧМ или ФМ сигнала ограничивается диапазоном частот, в пределах которого амплитуды составляющих спектра уменьшаются до 0,01 от амплитуды несущей, то ширину спектра (рис.1.19) можно принять равной удвоенному значению девиации частоты:

 

Δw_сп =2Δw_м.

Рис. 1.19. Спектр фазо- или частотно-модулированного радиосигнала
при модуляции одним тоном