Боковые полосы в радиосвязи

Введение

Понятие радиосвязи
радиосвязь

В радиосвязи боковая полоса – это полоса частот, расположенная выше или ниже несущей частоты, возникающая в результате процесса модуляции. Боковые полосы несут информацию, передаваемую радиосигналом. Боковые полосы включают в себя все спектральные компоненты модулированного сигнала, за исключением несущей. Сигнальные компоненты выше несущей частоты формируют верхнюю боковую полосу (USB), а компоненты ниже несущей частоты – нижнюю боковую полосу (LSB). Все виды модуляции создают боковые полосы.

Характеристика боковой полосы

В приведенном выше примере перекрестная корреляция модулированного сигнала с чистой синусоидой равна нулю при всех значениях, кроме 1100, 1000 и 900. А ненулевые значения отражают относительную мощность трех составляющих. График, иллюстрирующий эту концепцию и называемый преобразованием Фурье (или спектром), является общепринятым способом визуализации боковых полос и определения их параметров.

Модуляция амплитуды

Модуляция амплитуды несущего сигнала обычно приводит к образованию двух зеркально симметричных боковых полос. Сигнальные компоненты выше частоты несущей составляют верхнюю боковую полосу (USB), а компоненты ниже частоты несущей – нижнюю боковую полосу (LSB). Например, если несущая частотой 900 кГц модулирована амплитудой аудиосигналом 1 кГц, в сформированном радиочастотном спектре появятся компоненты на частотах 899 кГц и 901 кГц, а также 900 кГц; следовательно, аудиополоса пропускания (например) 7 кГц потребует полосы радиочастотного спектра 14 кГц. В традиционной AM-трансляции, используемой AM-радиостанциями, исходный аудиосигнал может быть восстановлен ("детектирован") либо с помощью синхронных детекторных схем, либо с помощью простых огибающих детекторов, поскольку присутствуют и несущая, и обе боковые полосы. Это иногда называют амплитудной модуляцией с двумя боковыми полосами (DSB AM), однако не все варианты DSB совместимы с огибающими детекторами. В некоторых формах AM несущая может быть уменьшена для экономии энергии. Термин "DSB с уменьшенной несущей" обычно подразумевает, что в передаче остается достаточное количество несущей для того, чтобы схема приемника могла регенерировать сильную несущую или, по крайней мере, синхронизировать фазовую автоподстройку (ФАП). Однако существуют схемы, в которых несущая подавляется полностью, что приводит к амплитудной модуляции с двумя боковыми полосами и подавленной несущей (DSB SC). Системы с подавленной несущей требуют более сложных схем в приемнике и какого-либо другого метода определения исходной частоты несущей. Примером может служить стереоразностная (L-R) информация, передаваемая в стерео FM-вещании на поднесущей 38 кГц, где сигнал малой мощности на половине частоты 38 кГц вставляется между частотами монофонического сигнала (до 15 кГц) и нижней границей поднесущей стереоинформации (до 38-15 кГц, т.е. 23 кГц). Приемник локально регенерирует поднесущую, удваивая специальный пилотный тон на частоте 19 кГц. В другом примере, квадратурная модуляция, исторически использовавшаяся для передачи цветовой информации в телевизионных передачах PAL, синхронизирующий сигнал представляет собой короткий импульс, состоящий из нескольких циклов несущей, во время "заднего интервала" каждой строки развертки, когда изображение не передается. Однако в других системах DSB SC несущая может быть регенерирована непосредственно из боковых полос с помощью петли Костаса или квадратичной петли. Это часто используется в цифровых системах передачи, таких как BPSK, где сигнал присутствует постоянно. Если остается часть одной боковой полосы и вся другая, это называется остаточной боковой полосой, которая в основном используется в телевизионном вещании, поскольку в противном случае потребовалась бы неприемлемо большая полоса пропускания. Передача, в которой передается только одна боковая полоса, называется однополосной модуляцией или SSB. SSB является преобладающим голосовым режимом в коротковолновой радиосвязи, за исключением коротковолнового вещания. Поскольку боковые полосы являются зеркальными отражениями друг друга, выбор используемой боковой полосы является вопросом соглашения. В SSB несущая подавляется, что значительно снижает электрическую мощность (до 12 дБ) без влияния на информацию в боковой полосе. Это обеспечивает более эффективное использование мощности передатчика и радиочастотной полосы, но для восстановления несущей в приемнике необходимо использовать гетеродинный генератор. Если восстановленная частота несущей неверна, выход приемника будет содержать неправильные частоты, но для речи небольшие погрешности частоты не влияют на разборчивость. Другой способ рассматривать SSB-приемник – как радиочастотный преобразователь частоты в аудиочастоту: в режиме USB частота настройки вычитается из каждого радиочастотного компонента для получения соответствующего аудиокомпонента, а в режиме LSB каждый входящий радиочастотный компонент вычитается из частоты настройки.

Amplitude modulation of a carrier signal normally results in two mirror image sidebands. The signal components above the carrier frequency constitute the upper sideband (USB), and those below the carrier frequency constitute the lower sideband (LSB). For example, if a 900kHz carrier is amplitude modulated by a 1kHz audio signal, there will be components at 899kHz and 901kHz as well as 900kHz in the generated radio frequency spectrum; so an audio bandwidth of (say) 7kHz will require a radio spectrum bandwidth of 14kHz. In conventional AM transmission, as used by broadcast band AM stations, the original audio signal can be recovered ("detected") by either synchronous detector circuits or by simple envelope detectors because the carrier and both sidebands are present. This is sometimes called double sideband amplitude modulation (DSB AM), but not all variants of DSB are compatible with envelope detectors. In some forms of AM, the carrier may be reduced, to save power. The term DSB reduced carrier normally implies enough carrier remains in the transmission to enable a receiver circuit to regenerate a strong carrier or at least synchronise a phase locked loop but there are forms where the carrier is removed completely, producing double sideband with suppressed carrier (DSB SC). Suppressed carrier systems require more sophisticated circuits in the receiver and some other method of deducing the original carrier frequency. An example is the stereophonic difference (L R) information transmitted in stereo FM broadcasting on a 38 kHz subcarrier where a low power signal at half the 38 kHz carrier frequency is inserted between the monaural signal frequencies (up to 15kHz) and the bottom of the stereo information sub carrier (down to 38–15kHz, i. e. 23kHz). The receiver locally regenerates the subcarrier by doubling a special 19 kHz pilot tone. In another example, the quadrature modulation used historically for chroma information in PAL television broadcasts, the synchronising signal is a short burst of a few cycles of carrier during the "back porch" part of each scan line when no image is transmitted. But in other DSB SC systems, the carrier may be regenerated directly from the sidebands by a Costas loop or squaring loop. This is common in digital transmission systems such as BPSK where the signal is continually present. If part of one sideband and all of the other remain, it is called vestigial sideband, used mostly with television broadcasting, which would otherwise take up an unacceptable amount of bandwidth. Transmission in which only one sideband is transmitted is called single sideband modulation or SSB. SSB is the predominant voice mode on shortwave radio other than shortwave broadcasting. Since the sidebands are mirror images, which sideband is used is a matter of convention. In SSB, the carrier is suppressed, significantly reducing the electrical power (by up to 12dB) without affecting the information in the sideband. This makes for more efficient use of transmitter power and RF bandwidth, but a beat frequency oscillator must be used at the receiver to reconstitute the carrier. If the reconstituted carrier frequency is wrong then the output of the receiver will have the wrong frequencies, but for speech small frequency errors are no problem for intelligibility. Another way to look at an SSB receiver is as an RF to audio frequency transposer: in USB mode, the dial frequency is subtracted from each radio frequency component to produce a corresponding audio component, while in LSB mode each incoming radio frequency component is subtracted from the dial frequency.

Модуляция частоты

Частотная модуляция также генерирует боковые полосы, ширина полосы пропускания которых зависит от коэффициента модуляции и часто требует значительно большей полосы пропускания, чем при DSB. Функции Бесселя можно использовать для расчета требований к полосе пропускания для FM-передач. Правило Карсона является полезным приближением для определения полосы пропускания в различных приложениях.

Эффекты

Боковые полосы могут создавать помехи для соседних каналов. Часть боковой полосы, перекрывающая соседний канал, должна подавляться фильтрами до или после модуляции (часто и до, и после). В частотной модуляции (FM) в радиовещательном диапазоне субнесущие частотой выше 75 кГц ограничиваются небольшим процентом модуляции и полностью запрещены выше 99 кГц для защиты нормального отклонения ±75 кГц и границ канала ±100 кГц. Радиолюбительские и общественные FM-передатчики обычно используют отклонение ±5 кГц. Для точного воспроизведения модулирующего сигнала весь тракт обработки сигнала, включающий передатчик, канал распространения и приемник, должен обладать достаточной полосой пропускания, чтобы можно было использовать достаточное количество боковых полос для воссоздания модулированного сигнала с требуемой степенью точности. В нелинейных системах, таких как усилители, боковые полосы исходных частотных составляющих сигнала могут генерироваться из-за искажений. Обычно это минимизируют, но иногда делают намеренно для создания музыкального эффекта fuzzbox.