DiBR
обычная кошмарная
домашняя страничка
Ежекакполучится околокомпьютерное обозрение
 
модуляции
   Последний выпуск      Архив      Ссылки      Полезности      humor.filtered      О сайте   
         ...о модуляциях. Нет, не модемных, а таких, какие по радио бывают. Ну, в смысле,я постараюсь не слишком часто скатываться на "...а вот в модеме..." :-)
         Навеяло очередным ответом на очередной вопрос: "а как перестроить приемник с УКВ на ЧМ?" - "перестроить сдлины волны на модуляцию?!"
         История радио - это интересно. Жаль, я её так плохо знаю. Впрочем, надеюсь это не сильно ухудшит :-)
         Радио началось давно - когда догадались, что из уже изобретенного к тому моментуэлектричества, кроме искр и "лампочки Ильича"(впрочем, Ильич тогда лампочками еще не занимался) можно получить и другие физические эффекты.Например, бабахнуть "лейденскую банку" в моток провода и поудивляться на тему,какое интересное при этом магнитное поле образуется и как забавно дергаются железные гвозди вокруг.Или, скажем, взять два длинных штыря с шариками, сделать искру между ними (шариками),и начать изучать, что при этом будет происходить вокруг. Мужика,который занимался штырями и шариками, если мой склероз мне ни с кем не изменяет, звали Герц,а конструкцию эту звали "диполь Герца".
         Сначала о модуляциях особо не задумывались - был уже упомянутый "диполь Герца" (два штыря с шариками),импульсно возбуждаемый от "электрофорной машины" (220 вольт в розетках тогда еще не было),и излучавший довольно "грязный" в спектральном плане быстроспадающий импульс излучения.С детекторами было еще хуже - тот же самый диполь с близко сведенными шариками,и попытка разглядеть в темноте и через лупу искру между ними - о чувствительности тут речь не идет,или "когерер" ("грозоотметчик") - трубка с опилками, широкополосная до жути, и до жути женечувствительная. Но - прогресс не стоит на месте,и, по мере изобретения разнообразных диодов, триодов, и прочих транзисторов,мировое сообщество довольно быстро научилисьгенерировать и излучать, а на приемном конце - выделять и детектировать "гармонические"(синусоидальные) колебания. Почему синусоидальные? Да потому, чтов случае синуса нам очень помогает природа - ведь что колебательный контур, чтообъемный резонатор, что какой-нибудь surface acoustic filter - все они удобны для получения именно синуса (ну, возможно не совсем чистого -но это уже проблемы технологии а не природы), а не треугольника или ещё какой загогулины.Так появилось разделение по частотам (у тебя синус с такой частотой, у меня - с другой,и мы друг другу не мешаем), и - появилась модуляция, как попытки передать информацию, изменяя параметрыэтого самого синуса.
         Первой появилась телеграфная модуля... эээ... манипуляция. "Манипуляция" потому,что у радистов почему-то принято определенные виды дискретной модуляции не считатьмодуляцией, а называть "манипуляцией". Суть от этого не изменяется -в телеграфной манипуляции (CW - от continuous wave - непрерывное излучение)передатчик просто включается и выключается, излучая (непрерывно) когда включен, и неизлучая, когда выключен. Используется, как нетрудно догадаться, "азбука Морзе", придуманная в своё времядля проводного телеграфа. Плюс: предельно просто, минус: надо знать азбуку морзе. Менее очевидный плюс:предельно низкая используемая полоса частот (для чистого CW - стремится к нулю:-), для "манипулированного" - в несколько раз шире "частоты точек-тире", то есть не больше десятков герц), как следствие - высокая помехозащищенность.Неочевидный минус - при резких фронтах-срезах (когда сигнал действительно грубо манипулируется "кнопкой",без мер по сглаживанию фронта-среза) "щелчки" могут "разлетаться" по спектру на десятки-сотни кГц.Кстати, вызывная "пищалка" на детских (и не только детских) рациях к CW (телеграфной манипуляции) отношения не имеет -обычная АМ "прямоугольником" от генератора.
         Ладно. Телеграфная манипуляция, особенно правильно сделанная - это, конечно, рулезпо простоте и помехоустойчивости, но хочется все-таки не только "пиип-пиип", а и голосом побазарить.Хочется - сделаем.Изменяя амплитуду этого самого синуса не дискретно (есть-нет), а плавно,в соответствии с звуковым сигналом. В результате мы имеем АМ - амплитудную модуляцию -самую старую из "голосовых" модуляций, постепенно вытесняемую ЧМ, но еще вполне себеживую.Плюсы понятные: самая простая для понимания. Ну, еще поведение в сложных шумовых условиях... но об этом потом.На этом достоинства, в общем то и заканчиваются. Передатчик сложен (нужно плавно изменять выходную мощность),неэкономичен (точнее, чем проще передатчик - тем ниже КПД, но поскольку совсем уж усложнять передатчик нет смысла - неэкономичен по сравнению с, скажем, ЧМ).Качество... в теории можно получить хорошее, на практике же - та же фигня: высокое качество на АМпотребует непропорциональных затрат. Возможность "перемодуляции" (принципиальная несимметричностьмодуляции - поднимать мощность относительно "средней" можно как угодно, а вот опускать - ниже нуля не получится),как следствие - нулевая перегрузочная способность, и опять же невысокое качество.Требование линейности усилителя мощности (жуть на самом деле - линейный УМ для радиочастот естьконструкция патологически неправильная), требование линейности предусилителя в приемнике,требование линейности всего-на-свете от антенны до детектора. Обязательная "мягкая"(сохраняющая линейность) АРУ (автоматическая регулировка усиления) в приемнике...
         В-общем, сейчас АМ используется редко. :-) Конечно, все далеко не так кошмарно, как я сейчасрассказал, и плюсы у АМ тоже есть, но минусов больше.Плюсы...
         Если не заморачиваться высоким КПД и качеством - передатчик можно сделать вполне простым.Если не заморачиваться хорошей избирательностью и качеством - приемник можно сделатьпросто потрясающе простым. Собственно, именно так и делаютсяте детские "шипелки", что можно купить в киосках за 100 рублей пара - упрощенный донельзяпередатчик с АМ, и сверхрегенеративный приемник.
         Если же заморочиться (какое слово эргономичное попалось) на помехи, шумы,и прочую реальность радиосвязи - то по мере ухудшения соотношения сигнал/шум "в эфире",соотношение сигнал/шум после детектора ведет себя правильным образом. Плавно ухудшаясьв соответствии с, и в конце концов "пропадая" в шумах. Что позволяет оперативно (ухом)заметить ухудшение связи, и, покрутившись в пространстве или выдвинув антенну,найти точку поудачней. У той же ЧМ с этим несколько похуже.
         Используется АМ больше по традиции - на "средних волнах" для вещания,там, где исторически сложилось использование АМ для связи,ну, и реже в тех случаях, где АМ по каким-то причинам оказывается предпочтительней.
         Я уже упоминал ЧМ, займемся теперь ей.ЧМ (FM) stands for Частотная Модуляция (Frequency Modulation).Принцип понятный - вместо амплитуды мы изменяем частотусигнала, дёргая чего-нибудь в задающем генераторе (теоретически - параллельноемкости в контуре ставится варикап, практически - достаточно загнать модулирующий сигналхоть куда-нибудь внутрь генератора - и появится ЧМ).Позже ЧМ появилась потому, чтобыло неочевидно - как же потом демодулировать этот сигнал -с амплитудой-то проще :-) Потом придумали эффективные способы демодуляции (навскидку два - контур в резонансе, обеспечивающийсдвиг фазы при изменении частоты с умножителем для обнаружения сдвига фазы, и второй -"синхронный детектор" с фазовой автоподстройкой частоты, сигнал снимается непосредственно с VCO (voltage controlled oscillator)).Схема с контуром - простая, "дубовая", и дающая хорошее качество, потому используется сплошь и рядом.Схема с VCO+PLL - дает очень хорошее качество, но имеет ряд мелких особенностей и фич, потому применяетсяв основном в вещательных приемниках.Теперь - плюсы и минусы. Плюсы. Высокое качество. Если в АМ нужно бороться за высокое качество, в ЧМскорее уж нужно принимать специальные меры, чтобы получить плохое качество :-)Поскольку вещание ведется на сотнях мегагерц, а девиация составляет максимум десятки килогерц -нелинейность зависимости девиации частоты от модулирующего напряжения глубоко пофиг -в таких пределах она линейна. (В скобках замечу - если генератор стабилизирован кварцем -всё сильно по другому, но это уже другой вопрос). В приемнике -в случае VCO+PLL всё то же самое (нелинейность пофиг, мы её просто не заметим), в случае контураи сдвига фазы - достаточно "испортить" контуру добротность (ломать - не строить), и линейностьдетектора пропорционально возрастет.
         Выходной каскад передатчика (и усилителя) можно раскачивать с запасом, до высоких углов отсечки.КПД при этом приближается к максимально возможному, а неизбежные гармоники - давятсявыходным/согласующим контуром. Линейность - не нужна, поскольку просто таки вредна (снижает КПД).АРУ в приемнике - нужна постольку-поскольку: достаточно обычного усилителя-ограничителя.Перегрузочная способность - отличная: перемодуляция в передатчике особо ни к чему не приводит,сделать же запас по модуляции в приемнике - несложно.
         Неочевидный плюс: в случае хорошей помеховой обстановки можно получить сильно более хорошеекачество, увеличив глубину модуляции. Поскольку при этом захватывается более широкая полоса- качество объективно растет.
         Минус, собственно, один. ЧМ довольно хорошо "держит" качество до какого-то уровня сигнал/шум,после чего быстро "разваливается" - там, где на АМ еще можно попытаться что-то прооратьсквозь шум, на ЧМ этот самый шум идет громко и сильно.
         Применяется ЧМ... да очень много где. Вещание - в УКВ диапазоне (кстати, "наш" УКВ и "их" FM отличаются только длинной волны, но не модуляцией). Связь: все известные мнебеспроводные телефоны, все известные мне аналоговые стандарты сотовой связи,большинство современных "бытовых" радиостанций ("Си-Би радио" - радиостанции гражданского диапазона) оборудованы ЧМ, ате, что работают на 433МГц - имеют только ЧМ. Любопытно, что АМ в гражданском радио вымирать не собирается- то-ли традиция, то-ли лучше работает "в шумах"...
         Кстати, ЧМ, довольно условно, делится на три группы. "Узкополосную ЧМ" (NFM, Narrowband FM, полоса порядка нескольких кГц - не шире полосы АМ при модуляции "телефонного качества" сигналом (до 3-4кГц)) -для связи на относительно длинноволновых диапазонах либо при ограничениях на полосу (любительская связь, СиБи).Просто ЧМ (не знаю, как точно называется) - полоса 10-20кГц, используется в разнообразных high-band дивайсахвроде телефонов и раций. И "широкополосная ЧМ" (WFM, Wideband FM) - вещание в УКВ диапазоне. И, дабы не бытьобвиненным в неполноте - есть еще ФМ, то бишь "фазовая модуляция". Изменяется при этом, как несложно понять, фазасигнала, а не частота. Сделать фазовую модуляцию очень просто - надопродифференцировать модулирующий сигнал, и загнать его на вход ЧМ-модулятора :-) В общем-то поэтомуя и не буду отделять ЧМ от ФМ, и скажу только, что ФМ часто применяется (по чисто техническим а не "политическим" причинам)в аппаратах с синтезатором частоты в передатчике, и редко применяется где-нибудь еще.
         Раз уж заговорили о связи - в радиолюбительской практике есть еще одна модуляция.SSB называется. Устроена довольно хитро, попробую объяснить.
         Амплитудная модуляция, с точки зрения математики, есть перемножение двух сигналов - модулируемого и модулирующего.Модулирующий при этом не должен сталовиться меньше нуля (ибо корректно продетектировать такое потом будет проблемно),потому в нем всегда есть некая постоянная составляющая. При перемножении двух гармонических сигналовполучается сумма двух других, на суммарной и разностной частотах. При перемножении несущей на модулирующийсигнал ("звуковой" полосы частот, с постоянной составляющей) в спектре получаются:
             - "палка" на месте несущей частоты (произведение несущей на постоянную составляющую),
             - "холмик" справа от несущей (на суммарных частотах несущей и модулирующего сигнала - фактически, спектр модулирующего сигнала, перенесенный "вверх" по частоте, так называемый "USB" - Upper SideBand),
             - "холмик" на разностной частоте - симметричен первому холмику относительно несущей. Называется LSB - Lower Sideband.
         Не буду вдаваться в не очень понятные мне тонкости насчет того, какой именно холмик несет сколько информации,замечу только, что в самой "палке" несущей сосредоточена заметная мощность сигнала, при этом информацииэта "палка", в общем-то, не несет - как бы мы не дергали модулирующий сигнал, величина несущейв спектре меняется не сильно (теоретически - не меняется вообще, практически - зависит от того, что мыдоговоримся считать "величиной несущей"). Поэтому несущую можно относительно безболезненно выкинутьпри передаче, и восстановить уже в приемнике - эффективность улучшится.
         Честно говоря, не помню, почему выкидывают еще и один из sideband (по русски - "боковая полоса", кстати). По-моему, потому, что при малейшейошибке при восстановлении несущей и наличии обоих боковых полос, возникнет нехилая паразитная модуляция,в результате чего от разборчивости не останется ничего, но я могу сильно гнать и ошибаться. Так или иначе,в ssb "задавливается" несущая (есть даже специальные "балансные" модуляторы с подавлением несущей),и дополнительно (узкополосным фильтром) давится одна из боковых полос.Какая - пофиг, если задавить LSB (и оставить USB) - результатом будет простой "перенос" спектра сигналавверх по спектру, если оставить LSB - спектр будет еще и вверх ногами.
         Детектировать, как ни странно, просто. В приемнике просто стоит генератор на частоте несущей, и смеситель.После смешения (читай: перемножения) несущей и SSB, получается почти :-) исходныйсигнал, плюс куча высокочастотных компонентов. ВЧ отрезается обычной RC-цепочкой, сигнал усиливаетсяи подается в наушники несчастному радиолюбителю.
         Результат своеобразен. Разборчивость "на пределе" дальности и собственно дальность связи при таком методе заметно лучше.При этом о какой-либо "верности" передачи сигнала нет и речи: уровень толком отследить нельзя (он пропорционаленмгновенной мощности модулирующего сигнала, а АРУ в приемнике должно хоть как-то это выравнивать),при "тишине в микрофоне" на передающем конце - в эфир не излучается ничего, со всеми вытекающими последствиями,а главное - сдвиг частоты приемника относительно передатчика практически неизбежен, чтоприводит к довольно специфическим искажениям. :-) То есть,в сеансе ssb-связи нужно "подкручивать" ручку точной настройки, подстраиваясь под наилучшую разборчивость корреспондента...
         ...любители, что с них возмешь :-) Про применение SSB в профессиональных, я уж не говорю о бытовых,системах связи, я не слышал ни разу. Впрочем, не исключаю, что в каких-нибудь военных рацияхSSB есть - работать на пределе дальности.
         В общем, если ограничить себя только вопросом передачи голоса по радио, нарочно откинутьцифровые стандарты (то, что по ним в результате все равно гоняется голос - есть второстепенная особенность),и не обращать внимания на видео и прочее - то и останется АМ, ЧМ в разных ипостасях, и SSB.А про tdma, cdma, подпороговую передачу данных :-) и прочие штучки я как-нибудь потом. Ладно?
         Дополнение от читателя:

From:
Hello Dmitry,

Думал, что нового и полезного вынести из заметки "модуляции", но несудьба :))

А вот чего дополнить есть...

Есть еще "Амплитудная модуляция с подавленной несущей" DSB (DoubleSide Band)
И "Амплитудная модуляция с частично подавленной несущей"Абревиатуру не помню, несущая давится частично, но остается чтобына принимающей стороне можно было осуществлять точную настройку.

И еще SSB активно используется (использовалась до оследнего времени,но полагаю мало что измелось) в профессионадьной связи, примеры еслинужно могу привести позже, поскольку уверенности нет (Помнится вавиации активно используется наряду с ЧМ). Кроме того опять же еслисклероз мне не изменяет, есть такая вещь как "фидерные каналы передачи"или что-то вроде этого, как я понял радио передачи в отдаленные уголки нашейродины передются по ним, где уже вещается на средних и дальних волнах.И в этих каналах очень используется USB и LSB.(Если наврал с назначением, не пинать, но то что это не любительскаявещь это точно).

ЗЫ О! Вспомнил Применение SSB в проф. Связь кораблей с большойземлей, на параходстве (Сам слушал, даже "телефонные переговоры" ссемьей), сеть метео станций, метеоусловия различных аэропортов.Тоже сам принимал..

--
Best regards,
Kirill mailto:eks@iao.ru







архив dibr