Analogowe systemy radiofoniczne

Modulacje i struktura sygnału

Paweł Wybranowski

Plan wykładu :

1)Ogólna charakterystyka systemów radiofonicznych

2)Modulacja i jej rodzaje:

-AM

-FM

-podwójna w stereofonii

3)Struktura sygnału i wybrane jego parametry

System radiofoniczny to cały szereg urządzeń służących do przeniesienia mowy lub muzyki na duże odległości. W tym celu należy wielokrotnie przekształcić fale dźwiękowe na inne rodzaje drgań. Powstające w wyniku drgania elektryczne lub sygnały są wzmacniane i na koniec powtórnie przekształcane w drgania akustyczne.

Na rys. przedstawiono tę drogę w uproszczeniu .Fale dźwiękowe są w mikrofonie przekształcane w prądy o częstotliwości akustycznej lub małej, a następnie w nadajniku w prądy o wielkiej częstotliwości doprowadzane do anteny i wypromieniowane w przestrzeń w postaci fal elektromagnetycznych. Urządzenie odbiorcze odbiera nieznaczną część wypromieniowanej energii elektromagnetycznej w.cz. i po wielu przekształceniach odtwarza na wyjściu ponownie prądy małej częstotliwości, które z kolei głośnik przetwarza na drgania akustyczne, czyli dźwięki. Główne zadania tego toru to:

-przetwarzanie drgań akustycznych w elektryczne i odwrotnie

-przetwarzanie drgań m.cz. w drgania w.cz. i odwrotnie

-wzmacnianie drgań małej i wielkiej częstotliwości.

Zakresy częstotliwości.

Częstotliwości akustyczne 15Hz - 15kHz

Fale długie (DF) 150kHz - 300kHz

Fale średnie (SF) 525kHz - 1605kHz

Fale krótkie (KF) 6MHz - 23MHz

Fale ultrakrótkie (UKF) 87,5MHz - 104MHz

Modulacja.

Modulacja jest operacją polegającą na przeniesieniu widma częstotliwościowego sygnału. Jest ona stosowana w celu zwiększenia efektywności procesu transmisji. I tak np. sygnał może być wypromieniowany efektywnie przez antenę tylko wówczas , gdy antena ma rozmiary rzędu jednej dziesiątej długości fali. Jeśli transmitowany sygnał jest sygnałem mowy ludzkiej ,wówczas maksymalna częstotliwość składowa sygnału jest rzędu 10kHz. Częstotliwość ta odpowiada długości fali równej 30km.Efektywna antena przesyłająca sygnały mowy ludzkiej powinna być rzędu 3km.Natomiast jeśli zmodulujemy lub przesuniemy widmo częstotliwościowe w zakres większych częstotliwości, możemy odpowiednio zmniejszyć rozmiary anteny .Innym przykładem może być telefoniczny sygnał radiowy mieszczący się w paśmie 300 Hz-3400Hz, podczas gdy radiowe analogowe łącza transmisyjne używają częstotliwości nawet kilku GHz .Nieekonomiczne byłoby budowanie kosztownych nadajników .Aby tego uniknąć stosuje się podział w dziedzinie częstotliwości oraz wielokrotną modulację(sygnał zmodulowany z pierwszego stopnia jest sygnałem modulującym w następnym stopniu itd. (rys) )

W praktyce wszystkie sygnały radiowe i telewizyjne są obecnie modulowane. Modulacje w radiofonii można podzielić na :

-amplitudową(AM);

-częstotliwościową(FM);

Modulacja AM.

Najprostszym rodzajem modulacji fali jest modulacja jej amplitudy, w której otrzymane z mikrofonu drgania elektryczne o częstotliwości akustycznej są nakładane na drgania nośne wielkiej częstotliwości. Na przykład modulację można uzyskać przez zsumowanie dwóch sygnałów modulującego i modulowanego, podanie na prostownik 1- połówkowy a następnie odpowiedni filtr.

Modulacja AM jest szeroko stosowaną do nadawania audycji radiowych w paśmie fal długich, średnich i krótkich. Powodem tej popularności, mimo niskiej sprawności energetycznej ,jest łatwość uzyskania sygnału zmodulowanego ,a przede wszystkim łatwość demodulacji w odbiornikach.

Istnieje wiele odmian modulacji o praktycznym zastosowaniu. Do najważniejszych należy modulacja z falą nośną, modulacja bez fali nośnej(dwuwstęgowa),oraz modulacja jednowstęgowa z lub bez fali nośnej.

Możemy wyróżnić również modulacje niepożądane.

Intermodulacja polega na powstaniu w wyniku przesterowania niepożądanej szkodliwej modulacji między dwoma różnymi częstotliwościami wejściowego wzmacniacza m.cz.

Modulacja krzyżowa powstaje gdy z anteny do odbiornika dochodzą dwie różne częstotliwości o tak dużych amplitudach ,że ulegają tam zmieszaniu.

Modulacja FM.

W nadajnikach UKF wykorzystuje się inny rodzaj modulacji, modulację częstotliwościową. W tym rodzaju modulacji amplituda sygnału pozostaje stała ,natomiast pod wpływem częstotliwości akustycznej zmienia się częstotliwość nadajnika o pewną wartość średnią .

Przy modulacji FM :

-im większa jest głośność tonu tym większa jest zmiana częstotliwości czyli dewiacja:

-częstotliwość modulującego sygnału m.cz. jest reprezentowana przez szybkość zmiany częstotliwości

-dzięki podniesieniu większych częstotliwości w nadajniku i stłumieniu ich w odbiorniku zostają osłabione większe częstotliwości zakłócające

-brak jest zakłóceń związanych z modulacją amplitudy gdyż odbiornik jest czuły tylko na zmiany częstotliwości

-lepsza jest jakość odtwarzania

Częstotliwości pasm bocznych w modulacji częstotliwości

Podwójna modulacja w stereofonii.

Dzięki stereofonii uzyskujemy przestrzenność wrażeń pod wpływem zróżnicowanych odbiorów dźwięków przez prawe i lewe ucho .Pod wpływem powstającej różnicy w czasie docierania sygnału do uszu oraz różnicy faz tego sygnału powstaje wrażenie kierunkowości sygnału. Aby to uzyskać należy odbierać dźwięki za pomocą dwóch mikrofonów oraz przenosić je niezależnie jako informacje lewo i prawo stronie. Czyni się to za pomocą dwóch niezależnych nadajników emitujących na dwóch różnych długościach fali.( widmo tego sygnału rys)

Sygnał stereofoniczny składa się z sygnału sumacyjnego ,częstotliwości pilotującej(19kHz)oraz z sygnału różnicowego zajmującego pasmo 23kHz -53kHz(38kHz to stłumiona częstotliwość nośna).

System ten nadaje się tylko w zakresie radiofonii UKF, gdyż w tym zakresie znajduje się odpowiednio szerokie

pasmo.

Struktura sygnału

Bardzo ważną w radiotechnice klasę sygnałów stanowią impulsy, a więc przebiegi na skończonym przedziale czasu. Rozróżnia się przy tym impulsy wizyjne i radiowe(rys).Jeżeli impuls uw(t) jest sygnałem wizyjnym to odpowiadający mu sygnał radiowy jest równy ur(t)=uw(t)cos(wt+fi).Impuls uw(t) jest nazywany obwiednią impulsu radiowego, a funkcja cos jego wypełnieniem. Parametry impulsów to:

-amplituda (A)

-czasy:

-trwania impulsu(td) ,

-narastania(ta)

-opadania(tb)

Wybrane parametry sygnałów radiofonicznych

Parametry	Modulacja AM	Modulacja FM
Dopuszczalna średnia moc	Klasa otwarta 0,25 - 50 kW Klasa regionalna 0,5 - 5 kW Klasa lokalna 0,1 - 1 kW	0,25 1 3 5 10 25 50 100 kW (w zależności od klasy nadajnika i pokrywanego obszaru)
Szerokość pasma (B)	B=2m. B=8 - 20 kHz .	B=2m.+2Dk B=150 - 200 kHz
Inne	Głębokość modulacji 85 - 95 proc. (zalecana dla rozgłośni radiowych)	Dewiacja przy 100 proc. modulacji 50kHz B dla sygnału stereofonicznego 300 kHz Częstotliwości środkowe rozmieszczone w odstępach co najmniej 200 kHz

W systemach radiofonii analogowej obecnie stosowana jest głównie modulacja częstotliwościowa przede wszystkim z powodu małej wrażliwości na zakłócenia atmosferyczne i przemysłowe. Niestety wadami tej modulacji w porównaniu do amplitudowej jest złożoność układów nadawczych i odbiorczych oraz zajmowanie szerszego pasma i dlatego też ma ona zastosowanie głownie w paśmie UKF.

LITERATURA:

O. Limann „ Radiotechnika bez wielkich problemów”

J.Izodorczyk „Teoria sygnałów”

Ś.Baskakow „Sygnały i układy radiotechniczne”

W.Gregg „Podstawy telekomunikacji analogowej i cyfrowej”

Wojnar „Poradnik inżyniera radioelektryka”

---