Modulacja jednowstęgowa

Z Wikipedii

Modulacja jednowstęgowa (SSB z ang. Single Side Band) – rodzaj modulacji amplitudowej charakteryzującej się znaczną oszczędnością mocy i szerokości pasma. Polega na wysyłaniu tylko jednej wstęgi bocznej, górnej (ang.) - Upper SideBand (USB) lub dolnej - Lower SideBand (LSB), bez fali nośnej (praktycznie ze znacznym jej wytłumieniem).

Modulacja Amplitudowa generuje sygnał który ma pasmo dwa razy większe niż sygnał oryginalny. Modulacja jednowstęgowa unika podwajania pasma i utraty mocy potrzebnej do przesyłania nośnej kosztem niewielkiego skomplikowania urządzenia.

Korzyści wynikające z zastosowania SSB:

cała mocy nadajnika jest wykorzystywana do wyprodukowania tylko jednej wstęgi bocznej
nadajnik zajmuje węższe pasmo częstotliwości, co pozwala na pracę większej ilości nadajników w pasmie o tej samej szerokości
zwężenie o około 50% pasma odbieranego przez odbiornik, co daje dodatkowy zysk w postaci poprawy stosunku odbieranego sygnału do szumu (zwężenie pasma o 50% to o 3 dB mniejsza moc szumów na wyjściu odbiornika)
brak fali nośnej powodującej wzajemne interferencje sygnałów o zbliżonych częstotliwościach utrudniające odbiór, co stwarza możliwość czytelnego odbioru sygnałów odległych o kilkaset Hz od innego sygnału SSB

Pierwszy raz modulacja SSB została komercyjnie wykorzystana 7 stycznia 1927 r. w komunikacji radiowej między Londynem, a Nowym Yorkiem.

Modulacja SSB była również wykorzystywana w liniach telefonicznych jako cześć technologii FDM (multipleksacja z podziałem częstotliwości).

[edytuj] Modulacja

[edytuj] Metoda filtrowa

Modulacja amplitudy (AM) charakteryzuje się przesyłaniem sygnałów niepotrzebnych do odtworzenia fali modulującej, a przenoszących moc. W typowym sygnale AM na falę nośną przypada 50% mocy emitowanej przez nadajnik, a na każdą ze wstęg po 25%. Nośna nie przenosi informacji, a obie wstęgi niosą tę samą informację, więc bez straty informacji można usunąć falę nośną i jedną wstęgę boczną. Falę nośną oraz wstęgę boczną tłumi się zwykle wykorzystując odpowiednio zestrojony filtr kwarcowy lub piezoceramiczny, mający pasmo przepustowe rzędu kilku kHz.

Pierwszym stopniem jest generator fali nośnej, drugim z kolei modulator zrównoważony, w którym poza procesem modulacji odbywa się znaczne (o 30 - 50 dB) stłumienie fali nośnej. Do modulatora doprowadzony jest sygnał m.cz. z mikrofonu wzmocniony we wzmacniaczu korekcyjnym z charakterystyką ograniczoną do pasma 300 - 3000 Hz i wzmocnieniem wzrastającym z częstotliwością. Produktem pracy modulatora jest sygnał DSB.

Następnym stopniem w torze w.cz. jest filtr o charakterystyce zbliżonej do prostokątnej. Obcina on zbędną wstęgę boczną. a jednocześnie powiększa tłumienie fali nośnej o 10 - 20 dB. Na wyjściu filtra występuje już właściwy sygnał SSB, który zostaje zmieszany z dodatkową częstotliwością w celu uzyskania pożądanej częstotliwości wyjściowej. Jest on następnie jeszcze raz wzmocniony i doprowadzony do anteny.

[edytuj] Metoda fazowa

Wymaga stosowania filtru kwadraturowego (filtr Hilberta, transformata Hilberta). Sygnał wejściowy dzielimy na dwie części: sygnał $x(t)\,$ , oraz sygnał przechodzący przez filtr Hilberta $x'(t)\,$ . Pierwszy z nich mnożymy przez sygnał cos(ω0t), drugi przez sin(ω0t). Poprzez dodanie lub odjęcie od siebie powstałych sygnałów otrzymuje się wstęgę dolna lub górną. Duża przejrzystość tej metody pozwala zrozumieć wiele efektów związanych z modulacją SSB np.: detekcja synchroniczna SSB.

Metoda ta choć czasami stosowana, okazała się dosyć trudna w praktyce, ponieważ wymaga stosowania szerokopasmowych przesuwników fazowych w postaci nierealizowalnych fizycznie filtrów Hilbera, które w praktyce trzeba aproksymować dość dokładnie w szerokim zakresie zmian pulsacji filtrem rzeczywistym (chodzi o wprowadzanie przesunięcia o 90° dla każdej z częstotliwości składowych sygnału). Produktem pracy modulatora jest sygnał SSB.

[edytuj] Wyprowadzenie

Niech $s(t)\,$ będzie sygnałem informacyjnym. Jego transformata Fouriera, $S(f)\,$ , jest symetryczna względem punktu $f=0\,$ na osi częstotliwości, ponieważ wartości $s(t)\,$ należą do zbioru liczb rzeczywistych. W przypadku modulacji DSB (dwuwstęgowej) widmo powstałego sygnału składa się z następujących elementów: widma fali nośnej i leżących po obu jej stronach, symetrycznie odbitych, dwóch wstęg bocznych.

Niech $\widehat s(t)\,$ oznacza transformatę Hilberta sygnału $s(t)\,$ . Wówczas

$s_a(t) = s(t)+j\cdot \widehat s(t)\,$

jest postacią analityczną sygnału. Transformata Fouriera sygnału $s_a(t)\,$ wynosi $2\cdot S(f)\,$ , dla $f > 0\,$ , oraz w widmie tego sygnału nie ma składowych o ujemnych częstotliwościach. Dlatego też w wyniku modulacji takiego sygnału do częstotliwości radiowych powstaje tylko jedna wstęga boczna. Postać analityczna sygnału $\cos(2\pi F_c\cdot t)\,$ to:

$\cos(2\pi F_c\cdot t)+j\cdot \sin(2\pi F_c\cdot t) = e^{j2\pi F_c\cdot t}$ (jest to wzór Eulera)

a jego transformata Fouriera wynosi $\delta(f-F_c)\,$ .

Kiedy $s_a(t)\,$ jest modulowany (innymi słowy mnożony) przez $e^{j2\pi F_c\cdot t}\,$ , jego widmo zostaje przesunięte o $+F_c\,$ i ciągle nie ma w nim składowych o ujemnych częstotliwościach. Stąd postać analityczna sygnału zmodulowanego wynosi:

$s_a(t)\cdot e^{j2\pi F_c\cdot t} = s_{ssb}(t) +j\cdot \widehat s_{ssb}(t) \,$

gdzie $s_{ssb}(t)\,$ jest sygnałem zmodulowanym SSB. Dlatego:

|- | $s_{ssb}(t)\,$ | $= Re\big\{s_a(t)\cdot e^{j2\pi F_c\cdot t}\big\}$ |- | | $= Re\left\{\ [s(t)+j\cdot \widehat s(t)]\cdot [\cos(2\pi F_c\cdot t)+j\cdot \sin(2\pi F_c\cdot t)]\ \right\}$ |- | | $= s(t)\cdot \cos(2\pi F_c\cdot t) - \widehat s(t)\cdot \sin(2\pi F_c\cdot t)\,$ |}

[edytuj] Nadajnik

[edytuj] Modulator DSB i filtr SSB

Stosuje się modulatory zrównoważone (transformatorowe, diodowe pierścieniowe) pracujące w układzie wzmacniacza przeciwsobnego (tranzystorowe, lampowe), w których składowe podstawowe sygnałów doprowadzonych znoszą się i w rezultacie otrzymuje się sygnał DSB.

Najczęściej stosuje się modulatory diodowe: mostkowe i pierścieniowe (ang. ring modulator).

Zrównoważone modulatory diodowe: dają znaczne tłumienie fali nośnej (do 60 dB), najmniejsze zniekształcenia występują przy amplitudzie fali nośnej większej o 10-15 razy od amplitudy sygnału modulującego, częstotliwość pracy sięga 15 MHz i dlatego stosuje się je praktycznie w całym zakresie częstotliwości formowania sygnału SSB spotykanym w transceiverach SSB.

Przy metodzie filtrowej formowania sygnału SSB, usunięcie zbędnej wstęgi z sygnału DSB odbywa się za pomocą filtru kwarcowego, elektromechanicznego, piezoceramicznego lub wieloobwodowego układu LC.

W metodzie fazowej stosowanie filtrów jest zbędne, ponieważ produktem pracy modulatora jest sygnał SSB.

[edytuj] Układ przemiany częstotliwości

Bardzo rzadko zdarza się, aby sygnał SSB był formowany bezpośrednio na częstotliwości pracy nadajnika, dlatego w stopniu przemiany stosuje się mieszacze, które wykonywane są w układach identycznych, jak modulatory. Stosowane są głównie mieszacze zrównoważone, ponieważ tłumienie sygnałów sterujących mieszacz i innych niepożądanych częstotliwości umożliwia uproszczenie występujących po nim obwodów. Szczególnie godny polecenia jest pierścieniowy mieszacz diodowy przedstawiony na rysunku 4.

Właściwą częstotliwość wyjściową uzyskuje się poprzez zmieszanie uformowanego sygnału SSB na wyjściu mieszacza. O tym, czy będzie to częstotliwość sumacyjna czy różnicowa, decydują wyjściowe obwody rezonansowe. Przy mieszaniu sumacjnym zostaje zachowana wstęga sygnału wejściowego SSB, natomiast przy mieszaniu różnicowym, kiedy od częstotliwości generatora odejmuje się częstotliwość SSB, wstęga ulega od wróceniu (z dolnej na górną i odwrotnie). W radiokomunikacji przyjęto, że do 10MHz stosuje się dolną wstęgę boczną, zaś powyżej 10MHz – górną.

[edytuj] Wzmacniacz mocy

Stosowane są wzmacniacze pracujące w klasach AB i B.

Wzmacniacze w.cz. pracujące w klasie C nie nadają się pracy we wzmacniaczach mocy SSB ze względu na punkt pracy leżący daleko poza punktem odcięcia charakterystyki siatkowej lampy. Praca w klasie A jest rzadko stosowana w stopniach końcowych ze względu na znaczny prąd spoczynkowy, który zmusza do ograniczenia mocy oddawanej przez lampę.

[edytuj] Demodulator

Główną różnicą w stosunku do radiofonicznego odbiornika AM w odbiorniku SSB (jak i DSB) jest detektor iloczynowy z dodatkowym generatorem BFO. Częstotliwość BFO musi być ustawiona na zboczu charakterystyki pasma pośredniej częstotliwości. Chodzi tutaj o odtworzenie drugiej, brakującej wstęgi bocznej i dopiero potem poddaniu sygnału demodulacji amplitudy. Wyjściowy sygnał małej częstotliwości, jako różnica częstotliwości pośredniej i częstotliwości BFO lub odwrotnie, jest już normalnym czytelnym sygnałem, takim, jaki został doprowadzony do wzmacniacza mikrofonowego nadajnika SSB.

Niektóre bloki podczas pracy emisją SSB mogą być wykorzystywane dwukrotnie (zarówno podczas nadawania jak i odbioru):

filtr kwarcowy: przy nadawaniu do wycinania zbędnej wstęgi bocznej a przy odbiorze do zapewnienia odpowiedniej selektywności odbiornika
generator fali nośnej: przy nadawaniu do formowania sygnału DSB, zaś przy odbiorze jako dodatkowy generator detektora iloczynowego tzw. BFO
generator VFO: podczas nadawania do uzyskania właściwej częstotliwości wyjściowej, natomiast podczas odbioru do uzyskania odpowiedniej częstotliwości pośredniej

[edytuj] Linki zewnętrzne

[edytuj] Literatura

"A Third Method of Generation and Detection of Single-Sideband Signals" D K Weaver Jr. Proc. IRE, Dec. 1956
Wykłady z przedmiotu "Modulation & Detection" prof. dr hab. inż. Zdzisław Papir

Kategorie: Modulacje • Krótkofalarstwo

We provide Linux to the World