Особенности приёма однополосных сигналов
Сужение излучаемой полосы частот в два раза по сравнению с AM сигналом позволяет уменьшить полосу пропускания приемника вдвое. Благодаря этому напряжение шумов на выходе приемника уменьшается в у~n раз, что соответствует выигрышу в отношении сигнал — шум в два раза по мощности.
Следующее важное преимущество однополосной модуляции— отсутствие несущей частоты и, как следствие, отсутствие интерференционных свистов при приеме однополосных сигналов. Это позволяет станциям располагаться не через 3 кгц, а через 2 кгц. При этом, хотя и будут прослушиваться помехи от соседних станций, разборчивость при одинаковой силе сигналов все же останется достаточной для уверенного приема, так как частотный спектр мешающих станций будет искажен до неузнаваемости и сигналы их вследствие неразборчивости будут мешать мало.
Поскольку любительская радиосвязь ведется на коротких волнах, нельзя не считаться с возможностью замирания радиосигналов. Замирания общего характера (более часто встречающиеся), когда все спектральные составляющие сигнала изменяются пропорционально, одинаково влияют на прием AM и SSB сигналов. Но при избирательных замираниях, когда изменение спектральных составляющих сигнала происходит неодновременно, однополосная модуляция имеет значительные преимущества перед AM.
При избирательных замираниях может иметь место ослабление несущей по отношению к уровню боковых полос, что равносильно углублению модуляции. Приемник AM сигналов с системой АРУ, увеличивающей усиление при уменьшении уровня несущей, дает при этом увеличение громкости приема. Падение уровня несущей ниже суммарного уровня боковых полос приводит к относительной перемодуляции, огибающая AM сигнала искажается, возникают значительные нелинейные искажения, возрастающие с уменьшением уровня несущей Если несущая полностью исчезнет, на выходе детектора останутся лишь четные гармоники частот модуляции, нелинейные искажения достигают предела и сигнал становится практически неразборчивым. При приеме SSB такое явление исключено, ибо несущая вырабатывается в самом приемнике, и условия распространения радиоволн не оказывают никакого влияния на ее уровень.
Избирательным замираниям, однако, может подвергаться не только несущая AM сигнала, но и боковые полосы. При этом происходит поворот фазы колебаний верхней боковой относительно нижней. Поэтому НЧ составляющие после детектора оказываются не в фазе и складываются геометрически, а не арифметически, как при их синфазности. В наиболее неблагоприятном случае они оказываются в противофазе и сигнал на выходе детектора становится равным нулю на значительной части звукового спектра. Поскольку в обеих боковых полосах имеется множество составляющих с разным сдвигом фаз и разной степенью понижения уровня, сложение НЧ составляющих после детектора приближается к суммированию случайных колебаний. Поскольку при приеме SSB каждый звуковой компонент получается в результате детектирования одного ВЧ компонента боковой, здесь фазовый сдвиг компонентов боковой не играет роли. В условиях сильных избирательных замираний применение SSB дает выигрыш по напряжению в n*2 раз, а по мощности в два раза.
Бели учесть, что за счет сужения полосы пропускания приемника уменьшается вероятность попадания в эту полосу частот сигналов мешающих станций, эффективность канала связи еще более увеличивается. Поскольку помехи от соседних станций в переполненных любительских диапазонах представляют серьезную проблему, это преимущество SSB связи приобретает особое значение. Статистическая обработка данных, полученных при изучении распределения силы сигналов мешающих станций в KB диапазонах, показывает, что это преимущество SSB связи эквивалентно выигрышу по мощности примерно до 6 дб (в четыре раза) для случая, когда мешающие сигналы имеют сравнительно узкий спектр. Выигрыш этот несколько уменьшается для помех с более широким спектром сигнала, когда вероятности появления мешающего сигнала в каждом из соседних каналов SSB связи (шириной 3 кгц) уже не оказываются более независимыми, так как если помеха имеет достаточно широкий спектр, переход на соседний канал (или перемена верхней боковой на нижнюю без перестройки несущей) не всегда дает избавление от помехи.
К этим преимуществам однополосного приема следует добавить такое важное достоинство, как ослабление (влияния помех перекрестной модуляции. Перекрестная модуляция наблюдается тогда, когда при наличии на входе приемника двух сигналов разных частот амплитуда выходного напряжения одного из сигналов зависит от амплитуды другого сигнала, причем влияние это взаимное. Перекрестная модуляция заметно снижает реальную избирательность приемника. Когда один из сигналов модулирован по амплитуде, перекрестная модуляция проявляется в том, что амплитуда другого сигнала будет изменяться в соответствии с огибающей модулированного сигнала, т. е. происходит перенос модуляции. В случае приема AM сигналов перекрестная модуляция вызывает следующее явление: в паузах модуляции принимаемого сигнала прослушивается модуляция мешающего сигнала, которая при исчезновении несущей желаемого сигнала также исчезает. При приеме однополосных сигналов благодаря отсутствию несущей такое явление, разумеется, исключено.
Еще одно важное преимущество приема SSB заключается в том, что синхронному SSB детектору свойственна частотная избирательность, позволяющая принимать слабые сигналы в условиях помех от сильных соседних сигналов. Наиболее слабые принимаемые сигналы любительских радиостанций имеют величину порядка нескольких десятых долей (0,1—0,5) микровольта, тогда как наиболее сильные могут доходить до нескольких милливольт, а то и более, т. е. отличаются по силе в тысячи раз. Вследствие загруженности диапазонов в любительских условиях часты случаи, когда слабую станцию приходится принимать в непосредственном соседстве по частоте с сильными сигналами мешающих станций.
Обычный диодный детектор AM сигналов при не очень малых входных напряжениях является линейным детектором, т. е. выходное напряжение его пропорционально входному. Если на линейный детектор с выхода усилителя ПЧ подаются два AM сигнала равной амплитуды, разнесенных по частоте достаточно далеко, чтобы биения между их несущими не были слышны (15—20 кгц), то на выходе детектора получаются НЧ колебания от детектирования обоих сигналов, т. е. будет слышна модуляция как одного, так и другого сигнала, хотя мешающий сигнал весьма удален по частоте. Если разность межд\ несущими находится в пределах звукового диапазона, на выходе детектора появятся еще и сильные колебания соответствующей звуковой частоты. Поэтому, в частности, рекомендуется в связных радиотелефонных приемниках применять усилители НЧ с частотной характеристикой, ограниченной сверху частотой около 3 кгц (хотя бы простейший LC фильтр).
Если же амплитуда одного из AM сигналов, подаваемых на линейный детектор, будет, например, в два раза меньше амплитуды другого, то эффект подавления сильным сигналом модуляции слабого сигнала будет уже заметен. Происходит это явление именно благодаря свойствам линейного детектора. При дальнейшем (возрастании амплитуды одного из сигналов модуляция более слабого полностью подавляется, и на выходе детектора остаются только звуковые колебания от сильного сигнала.
Если принимаемый AM сигнал является сильным, а мешающий слабым, это свойство линейного детектора является весьма ценным, поскольку увеличивает реальную избирательность приемника. Но если желаемый AM сигнал слаб, это свойство линейного детектора оборачивается негативной стороной. Появление по соседству более сильной (в три-четыре раза) мешающей станции приводит к полному исчезновению желаемого сигнала после детектора. Прослушивается только передача мешающей станции. К несчастью, такое «неприятное соседство» в любительских диапазонах явление обычное; к тому же радиолюбителя-коротковолновика наиболее привлекают дальние, а потому (в общем случае) и более слабые сигналы, что еще более усложняет дело. Избирательность же приемников обычно недостаточна для ослабления сильных соседних сигналов до такого уровня, чтобы они не мешали приему слабых AM сигналов.
Использование однополосной модуляции меняет картину. При приеме SSB сигналов применяется иной способ детектирования—преобразованием частоты, а не выпрямлением сигнала с целью выделения ©го огибающей. Физические процессы, протекающие в том и другом случаях, различны, а потому различаются и свойства детекторов AM и SSB сигналов. Детектор, работающий по принципу преобразования частоты, при выключенном местном гетеродине не реагирует на сигнал (полезный или мешающий — безразлично), т. е. низкочастотного сигнала на выходе его не получается. Если же включить гетеродин и добиться совпадения частоты и фазы его колебаний с колебаниями несущей AM сигнала (при приеме AM) или установить частоту его равной частоте подавленной несущей (при приеме SSB), мы получим неискаженный НЧ сигнал»
Сравним на примере прием слабых AM и SSB сигналов в условиях помех от сильного AM сигнала. Допустим, мы принимаем относительно слабый AM сигнал, промодулированный спектром с наивысшей частотой модуляции 3 кгц, на приемник с обычным диодным детектором. Пусть на 7 кгц выше по частоте появился мощный мешающий AM сигнал, также промодулированный НЧ спектром до 3 кгц и создающий на детекторе в несколько раз большее напряжение, чем желаемый сигнал. После детектора появятся сильные колебания с частотой 7 кгц, но усилитель НЧ, пропускающий лишь частоты ниже 3 кгц, «срежет» их. Однако вследствие подавления модуляции слабого сигнала мешающим сильным принимаемая передача исчезнет и на выходе останется лишь продетектированный сигнал мешающей станции, потому что диодный детектор, в сущности, безразличен к частоте сигнала и дает на выходе только модуляцию более сильного сигнала. Связь, таким образом, сорвана.
Представим теперь, что мы принимаем слабый SSB сигнал приемником е детектором смесительного типа и на 7 кгц выше (или ниже) по частоте появляется AM сигнал со значительной амплитудой. На выходе смесительного детектора будут следующие сигналы:
1) биения местной несущей с принимаемым SSB сигналом (полезный сигнал с частотой 0,3—3 кгц);
2) биения местной несущей с AM помехой (составляющие с частотами от 4 до 10 кгц);
3) биения между несущей AM сигнала и принимаемой боковой полосой (составляющие от 4 до 7 кгц);
4) помеха за счет прямого детектирования мешающего AM сигнала.
Если после детектора включить хороший фильтр нижних частот с частотой среза 3 кгц он подавит помехи, перечисленные в пунктах 2 и 3.
Влияние эффекта прямого детектирования зависит от типа лампы, схемы и режима детектора. При тщательном подборе напряжения отрицательного смещения очень хорошие результаты дают специальные частотопреобразовательные лампы—6А7, 6А2П, 6И1П, так иак в них сигналы подаются на разные сетки, что улучшает взаимную развязку входных цепей. Напряжение гетеродина не следует выбирать высоким, более 4—5 в (амплитудное значение). Такой детектор с хорошим НЧ фильтром может обладать весьма высокой реальной избирательностью по соседнему каналу. Он как бы трансформирует характеристику НЧ фильтра с крутым скатом на частоту гетеродина.
Эффект прямого детектирования помехи гораздо сильнее сказывается, если преобразователем является пентод или триод. Поэтому в приемниках с недостаточно высокой избирательностью по ПЧ лучше применить тщательно налаженный детектор на лампе 6И1П или 6А2П и высокоизбирательный НЧ фильтр, нежели детектор на триоде или пентоде. Если же избирательность по ПЧ достаточная (используется электромеханический или хороший кварцевый фильтр), помеха по соседнему каналу подавляется еще до детектора, и здесь требования к детектору значительно снижаются.
Применение балансной схемы детектора во всех случаях предпочтительнее, так как позволяет снизить эффект прямого детектирования. Если помеха представляет собой не AM, a SSB сигнал, сдвинутый по частоте относительно полезного, дело обстоит значительно лучше, чем при AM помехе. Прежде всего нет свиста от несущей. Далее, даже прямое детектирование SSB помехи не восстанавливает ее исходного НЧ спектра. И, наконец, благодаря различию в частотах биения SSB помехи с местной несущей дадут после детектора неразборчивый сигнал, меньше отвлекающий внимание оператора. Даже при частичном наложении спектров полезного сигнала и помехи связь возможна.
Из этих примеров видно, насколько увеличивается реальная избирательность приемника. Как показал советский ученый Е. Г. Момот, увеличение это в зависимости от наличия и силы мешающих станций может быть в десятки и даже сотни раз. Следовательно, использование всех вышеперечисленных достоинств приема однополосных аигналов позволяет получить значительный выигрыш по сравнению с приемом AM сигналов. В зависимости от условий распространения радиоволн и наличия мешающих станций этот выигрыш может достигать 10 дб и более, что равносильно увеличению мощности передатчика в 10 и более раз. Причем чем хуже условия радиосвязи, тем сильнее проявляются преимущества SSB, т. е. радиосвязь с однополосной модуляцией обладает высокой помехоустойчивостью и надежностью. Отсюда становится ясным, насколько велико значение приемной аппаратуры для использования преимуществ, даваемых однополосной модуляцией.
Специфика ее накладывает на приемники, предназначенные для приема SSB, характерные черты, в большей или меньшей степени отличающие их от приемников AM и телеграфных сигналов.