Цифровой способ формирования ssb

В радиолюбительской связной аппаратуре широко используются в основном два способа формирования однополосного сигнала — фильтровый и фазовый [1]. Третий — фазофильтровый пока не получил распространения. Все они относятся к «прямым» методам, которые характеризуются тем, что звуковой сигнал после ряда частотных преобразований превращается в однополосный.

Особое место занимает «синтетический» способ формирования SSB сигнала, предложенный М. Верзуновым [2]. Его суть состоит в следующем. Из исходного звукового формируют SSB сигнал (любым способом) на сравнительно низкой вспомогательной частоте, где легко подавить несущую и ненужную боковую полосу. Сформированный сигнал детектируют двумя детекторами — амплитудным и частотным, на выходе которых выделяются напряжения, пропорциональные мгновенной амплитуде и мгновенной частоте SSB сигнала. Задающий генератор передатчика, возбуждаемый на рабочей частоте, модулируется по частоте напряжением с выхода частотного детектора. В выходном каскаде передатчика излучаемый сигнал модулируется еще и по амплитуде напряжением с выхода амплитудного детектора. При правильно подобранных коэффициентах модуляции на рабочей частоте образуется и поступает в антенну обычный SSB сигнал.

К достоинствам «синтетического» метода следует отнести возможность формирования SSB сигнала на сколь угодно высокой частоте и малое содержание побочных продуктов (комбинационных частот) в выходном сигнале. Кроме того, большинство ВЧ каскадов передатчика может работать в режиме класса С с высоким КПД. К недостаткам способа следует отнести недопустимость относительного фазового сдвига управляющих сигналов в каналах модуляции частоты и амплитуды и необходимость достаточно точно воспроизводить амплитуды и частоты синтезированного сигнала, что предъявляет жесткие требования к линейности амплитудно-частотных характеристик детекторов и модуляторов. Последний недостаток в частотном канале частично устраняется, когда при управлении частотой задающего генератора используется система ФАПЧ.

Сравнительно недавно в печати появились краткие сообщения о разработке в Англии новой схемы формирования SSB сигнала «синтетическим» способом с использованием техники автоматического регулирования [3], позволившей в значительной мере устранить описанные недостатки способа. Авторы (V. Petrovic и W. Gosling) назвали новый передатчик «Polar loop SSB transmitter», имея в виду, скорее всего, векторное представление SSB сигнала в полярных координатах. Структурная схема передатчика показана на рис: 1.

Puc.1

Его высокочастотная часть проста — содержит задающий генератор G1, настроенный на рабочую частоту f,, и усилитель мощности А1, связанный с антенной W1. Низкочастотная часть аппарата сложнее. В нее входит формирователь вспомогательного SSB сигнала U1, преобразующий звуковой сигнал с микрофона В1 в однополосный на какой-либо сравнительно низкой частоте, например 500 кГц. Формирователь U1 может содержать микрофонный усилитель А5, балансный модулятор U8. опорный генератор G3 на частоту 500 кГц и электромеханический фильтр Z2.

Сформированный низкочастотный SSB сигнал Ui подается на ограничитель U2 и синхронный детектор U3, на выходе которого выделяется напряжение. пропорциональное амплитуде SSB сигнала а1. Таким образом, элементы U2 и U3 выполняют функции амплитудного детектора. Разумеется, можно было бы применить и обычный детектор огибающей, но его линейность хуже, а ограничитель все равно нужен для дальнейших преобразований сигнала.

Теперь посмотрим на структурную схему передатчика «с другой стороны», с выхода. Часть выходного ВЧ сигнала через аттенюатор А4 поступает на преобразователь частоты U7, гетеродином которого служит синтезатор частот G2 или какой-либо иной высокостабильный генератор. Его частоту f, устанавливают равной разности или сумме рабочей частоты f1 и вспомогательной низкой частоты f3. В этом случае после преобразования выделится сигнал с частотой, равной частоте сформированного низкочастотного сигнала (в нашем примере 500 кГц). Предположим, что рабочая частота f1 равна 28 500 кГц. тогда частота синтезатора G2 должна быть 28 000 или 29 000 кГц. Преобразованный сигнал подается на ограничитель U5 и синхронный детектор U6. аналогичные узлам U2 и U3. На выходе синхронного детектора U6 выделяется напряжение. пропорциональное амплитуде излучаемого сигнала а2. Оба напряжения, а1 и a2 поступают на дифференциальный мод модуляционного усилителя постоянного тока A3 и управляют амплитудой ВЧ сигнала в усилителе мощности А1. Таким образом, образуется замкнутая петля слежения за амплитудой излучаемого сигнала.

На работу петли мало влияют коэффициенты передачи синхронных детекторов и других звеньев. Более того, чем больше коэффициент усиления в петле (определяемый в основном усилителем A3), тем точнее отслеживается амплитуда выходного сигнала при условии, что фазовые сдвиги сигнала регулирования в петле невелики (иначе петля может самовозбудиться). Необходимая пиковая выходная мощность передатчика устанавливается аттенюатором А4.

Рассмотрим работу канала слежения за частотой. Ограниченный SSB сигнал Из и преобразованный по частоте и также ограниченный выходной сигнал U4 поступает на фазовый детектор U4, где сравниваются между собой по фазе. Выходное напряжение фазового детектора. пропорциональное разности фаз, через фильтр нижних частот Z1 и усилитель постоянного тока А2 воздействует на варикап, включенный в контур задающего генератора передатчика G1. Узлы U4, Z1. А2 и варикап входят, таким образом, в петлю ФАПЧ, устанавливающую точное равенство частот вспомогательного SSB сигнала ч преобразованного выходного. Необходимо только, чтобы при включении передатчика частота задающего генератора попала в поносу захвата петли ФАПЧ (которая может составлять десятки и сотни килогерц), дальнейшее слежение происходит автоматически. В паузах речевого сигнала система подстраивается под частоту подавленной несущей f3, остаток которой имеется на выходе вспомогательного формирователя SSB сигнала U1. Выходной каскад передатчика в паузах закрыт благодаря работе петли слежения за амплитудой.

Суть работы всей системы, таким образом, сводится к следующему: формируется вспомогательный SSB сигнал на частоте f3 (узлом U1), излучаемый сигнал преобразуется в эту же частоту (элементы U7, G2), и две петли автоматического слежения за амплитудой и частотой устанавливают равенство амплитуд и фаз вспомогательного и излучаемого SSB сигналов. В результате излучается SSB сигнал, в точности соответствующий вспомогательному, но на значительно более высокой частоте f1. Работу системы можно пояснить и векторной диаграммой в полярных координатах г и ф, показанной на рис. 2.

Puc.2

Вектор U1 изображает вспомогательный SSB сигнал. Длина а, этого вектора соответствует амплитуде, а угол ф1 — фазе. Преобразованный по частоте выходной сигнал передатчика изображен как вектор U2. Система регулирования амплитуды стремится установить равенство длин векторов U1 и U2, а система ФАПЧ — равенство их фаз. При идеальном отслеживании векторы совпадают, и преобразованный сигнал в точности соответствует сформированному.

Практически всегда имеется некоторая ошибка слежения, которая уменьшается при повышении усиления в петлях регулирования.

При реализации ВЧ часть передатчика получается исключительно простой. Выходной каскад может работать в режиме класса С с высоким КПД. Не требуется и высокой линейности амплитудного и частотного модуляторов, поскольку глубокая отрицательная обратная связь в петлях регулирования линеаризует систему и значительно уменьшает нелинейные искажения. К стабильности задающего генератора G1 также не предъявляется особых требований, поскольку его частоту стабилизируют системой ФАПЧ. Передатчик перестраивается по частоте синтезатором G2. Изобретатели нового «синтетического» способа сообщают, что ВЧ часть передатчика совершенно нечувствительна к пульсациям питающих напряжений, изменениям номиналов элементов и т. д. Главным же достоинством передатчика является очень высокая чистота выходного спектра, что в условиях современного эфира особенно важно. Побочных частот (кроме гармоник) передатчик не излучает. При испытании двухтональным сигналом уровень побочных составляющих оказался ниже -50 дБ. а в обычных фильтровых SSB передатчиках он редко опускается ниже -30. -35дБ. Передатчик проверяли на частоте 99.5 МГц при излучаемой мощности 13. 20 Вт.

Представляется, что новый способ формирования SSB заинтересует радиолюбителей высокими качественными параметрами. Просматривается и возможность «трансиверизации» описанного передатчика. Например, элементы U7 и G2 (см. рис.1) могут служить преобразователем частоты приемной части трансивера. К выходу преобразователя U7 при приеме подключается обычный тракт усиления ПЧ н SSB детектор, а опорный сигнал для последнего можно взять из блока формирования вспомогательного SSB сигнала U1. Можно осуществить и двойное преобразование принимаемой частоты f1 а частоту f3, используя первый кварцевый и второй перестраиваемый гетеродины, как часто делают в радиолюбительских приемниках и трансиверах. Вся система формирования SSB сигнала будет работать в этом случае на второй ПЧ приемника.

В. ПОЛЯКОВ (RA3AAE) г. Москва

1. Бунимович С,. Яйленко Л. Техника любительской однополосной радиосвязи. М.: ДОСААФ СССР. 1970,

2. Верзунов М. В. Однополосная модуляция в радиосвязи.— М.: Воениздат, 1972.

3. Hawker P. Polar loop SSB transmitter». Radio Communication; 1979. Sept.. p. 828 — 829.

Источник

Однополосная модуляция, основные способы формирования SSB сигнала

Фазовый и фазофильтровый методы формирования однополосного SSB сигнала.
Структурные схемы передатчиков, приёмников, трансиверов.

Вторым по распространённости выделения необходимой боковой полосы является фазовый или иными словами – фазокомпенсационный метод формирования однополосного SSB сигнала. Причём, если принять во внимание стремительно набирающую популярность аппаратуру с цифровой обработкой сигналов (выполненную в соответствии с SDR технологией), то подобные радиосистемы имеют все шансы занять лидирующее положение и стать основой в современной технологии радиосвязи.

К основным достоинствам фазового метода относятся: простота, приличное качество однополосного сигнала, связанное с компенсацией некоторых побочных продуктов преобразования, и возможность формирования однополосного сигнала непосредственно на рабочей частоте.

Рассмотрим фазовый формирователь SSB сигнала. Его структурная схема показана на Рис.1.

Рис.1 Структурная схема передатчика с фазовым формированием SSB модуляции

При формировании SSB сигнала фазовым методом подавление нерабочей боковой полосы обеспечивается в результате взаимной компенсации противофазных составляющих, при этом составляющие рабочей боковой полосы складываются синфазно.
Необходимый для такой компенсации фазовый сдвиг формируется с помощью низкочастотного (ФВ_НЧ) и высокочастотного (ФВ_ВЧ) фазовращателей.

Данное включение фазовращателей, указанное на рисунке Рис.1, соответствует выделению нижней боковой полосы сигнала. Переключение выводов одного из фазовращателей (не принципиально – низкочастотного или высокочастотного) приведёт к подавлению нижней и выделению верхней боковой полосы.

Степень подавления одной из боковых полос зависит от погрешности сдвига фаз от 90°, а также от степени различия амплитуд напряжений на выходах фазовращателей. Полная компенсация возможна лишь при условии, что амплитуды сигналов на входах двух балансных модуляторов (смесителей) равны, а фазовые сдвиги фазовращателей составляют точно 90°. На практике, разумеется, эти условия не выполняются и подавляемая боковая полоса компенсируется не полностью.

Владимир Тимофеевич Поляков в книге «Трансиверы прямого преобразования» приводит следующие ориентировочные значения допустимого разбаланса фазовращателей по амплитудам и фазам:

Подавление боковой полосы, дБ	60	50	40	30	20
Амплитудный разбаланс, %	0,2	0,6	2	6,5	22
Отклонение фаз, град	0,1	0,3	1,1	3,7	11,3

В любительской практике вполне достаточным является подавление нежелательной боковой полосы на 40 дБ, при котором значения амплитудного и фазового разбалансов могут составить 2% и 1,1° соответственно.

В SDR аппаратуре обработка низкочастотных сигналов происходит цифровыми методами, что на практике даёт более качественные результаты в идентичности амплитуд и постоянстве фазового сдвига и, как результат, в подавлении нежелательной боковой полосы.

Далее приведём структурную схему однополосного SSB приёмника, построенного на тех же модулях, что и передатчик (Рис.2).

Рис.2 Структурная схема однополосного SSB приёмника с фазовым подавлением боковой

При подаче на антенный вход приёмника однополосного SSB сигнала на его выходе выделяется демодулированный НЧ сигнал.
Причём, если на передачу формирователь (Рис.1) выделяет нижнюю боковую полосу, то при приёме (Рис.2) будет выделяться верхняя, и наоборот. Поэтому при построении реверсивного тракта по структурным схемам, приведённым выше, одновременно с переходом от приёма к передаче и наоборот следует производить переключение выходов одного из фазовращателей.

На практике реализация гетеродинных ВЧ фазовращателей не вызывает особых проблем и, как правило, выполняется с использованием быстродействующей логики – триггеров или регистров сдвига при четырёхкратной тактовой частоте. Поэтому основным мотивом, препятствующим широкому распространению автономных SSB устройств с фазовым подавлением боковой полосы, является сложность построения именно качественного широкополосного НЧ фазовращателя.
С целью устранения этого сложного в настройке узла (при сохранении достоинств фазового метода) привели к разработке фазофильтрового метода формирования однополосного сигнала.
По имени автора данный метод получил название: «фазофильтровый метод формирования SSB сигнала Д. Уивера«.

Структурная схема фазофильтрового передатчика приведена на Рис.3.

Рис.3 Структурная схема фазофильтрового SSB передатчика

Несмотря на кажущуюся сложность (по сравнению с предыдущими схемами), фазофильтровый формирователь SSB сигнала имеет ряд важных достоинств.
Опишем вкратце принцип действия данного устройства, а для желающих подробно ознакомиться с принципами формирования однополосного SSB сигнала фазофильтровым методом: с цифрами, спектральными диаграммами и т. д. и т. п., всё ж таки предлагаю обратиться к замечательной книге В. Полякова «Трансиверы прямого преобразования».

Как следует из Рис.3, фазофильтровый формирователь – это устройство с двойным преобразованием частоты, главной особенностью которого является то, что частота преобразования первых двух смесителей (балансных модуляторов мод1 и мод2) выбрана крайне низкой. Мало того, частота гетеродина G1 приходится на середину звукового диапазона и равна 1600 Гц.
Смесители мод3 и мод4 призваны перенести сигнал первой промежуточной частоты на рабочую частоту передатчика.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что за счёт фазовых сдвигов гетеродинных напряжений G1 и G2, происходит сложение сигналов, имеющих прямой спектр и вычитание (компенсация) сигналов с инвертированным спектром, в результате чего на выходе формируется сигнал верхней боковой полосы с частотой F_G2 — F_G1.
Переключение выводов одного из фазовращателей (любого) приведёт к тому, что будет выделяться инвертированный спектр, соответствующий нижней боковой полосе с частотой подавленной несущей F_G2 + F_G1.

Даже с простыми ФНЧ1 и ФНЧ2 2-го порядка подавление внеполосных излучений фазофильтрового передатчика получается на уровне фильтровых устройств и превышает 50 дБ.
Глубина подавления несущей зависит от точности балансировки модуляторов мод1 и мод2 и на низких частотах легко принимает значения от 50дБ и более. Дополнительно несущая с частотой 1600 Гц ослабляется фильтрами ФНЧ1 и ФНЧ2.
Неточность установки фазовых сдвигов фазовращателей, а также неидентичность амплитудных характеристик каналов приводит к неполному подавлению инвертированного спектра, наложенного на полезный. При этом спектр излучения не расширяется, а ухудшается лишь качество звукового сигнала. Экспериментально установлено, что при подавлении инвертированного сигнала всего на 20 дБ разборчивость речи ещё находится на приемлемом уровне.
Неточность балансировки модуляторов мод3 и мод4 приводит к появлению синусоидального сигнала в середине излучаемого спектра, который прослушивается при приёме как свист с частотой около 1,6 кГц.

Если поменять местами выходы гетеродинов, а вместо микрофона подключить антенну, то передатчик с фазофильтровым подавлением боковой превращается в фазофильтровый SSB приёмник (Рис.4).

Рис.4 Структурная схема фазофильтрового SSB приёмника

Поскольку радиоприёмник по сравнению с передатчиком – это устройство значительно более чувствительное как по отношению к принимаемым станциям, так и к разного рода неточностям балансировки и разбросам характеристик узлов, то и требования к этим узлам следует предъявлять повышенные. В противном случае качество приёма может серьёзно пострадать в связи с появлением в выходном спектре сигнала ещё одного, но инвертированного по частоте, либо возникновением немодулированной помехи с частотой первого гетеродина.

Источник