«Традиционные» виды модуляции и энергетика радиоканала

0 686
+2

 

На просторах Интернета есть немало статей о сравнении энергетики радиоканалов классических видов модуляции: CW, SSB, АМ и NFM. И нередко встречаются разные значения, потому что какой-либо фактор на самом деле оказывается не учтен.

Позволю себе «апокрифический» способ расчета с учетом всех значимых параметров и не тщусь мыслью о том, что с ним все согласятся.

 

Для начала сравним CW и NFM.

Оба вида модуляции - немодулированные по амплитуде и имеющие пик-фактор (отношение максимальной амплитуды к минимальной), равный единице.

На CW вся мощность модулирующего сигнала является полезной, т.к. не имеет никаких побочных или неучтенных компонентов.

Однако при NFM полоса модулирующего голосового сигнала 0,3…2,7 кГц (ширина 2,4 кГц) «размазывается» в полосу модуляции 12 кГц, что дает спектральную потерю мощности передачи, равную 10*Log10(12/2,4)=7 дБ

На стороне приема по входу приемника с учетом шумов в полосе демодуляции мы получим выигрыш CW над NFM из-за их разницы.

Сравнивая «обычную» полосу приема CW, равную 1 кГц и «радиолюбительскую» полосу NFM, равную 12 кГц, получим выигрыш CW над NFM, равный 10*Log10(12/1)=10,8 дБ, или 12 раз по мощности. Причем в этом значении оказывается уже заложенной половинная (3-децибельная) потеря последующего «неиспользования» зеркальной составляющей спектра NFM.

Но и это еще не все. УНЧ в тракте приема на уровне амплитудного ограничения даст 100%-ную амплитуду звукового сигнала биений при CW. А вот после частотного демодулятора любого типа, голосовой НЧ-сигнал такой величины не даст, так как его амплитуда обусловлена переменным уровнем. Для условий высокой разборчивости речи, пик-фактор приличного голосового компрессора на стороне передачи можем принять равным трем, что даст среднее значение амплитуды голосового сигнала, меньшее стопроцентной в (3+1)/2=2 раза, или в 2^2=4 раза по мощности. То есть амплитудная энергетика полезного сигнала потеряет еще 6 дБ мощности.

Итого энергетический выигрыш CW над NFM составит 7+10,8+6=23,8 дБ, или 240 (!) раз по мощности.

Но на самом деле – на грани дальности радиоканала – соотношение будет еще более разительным, о критериях чего поговорим чуть ниже.

Следует помнить, что вычисленное значение «теоретически» возможно лишь при использовании килогерцового телеграфного фильтра, чтобы на общую картину при низком соотношении сигнал/шум на пределе дальности радиоканала не влияли шумы более широкой полосы пропускания.

 

Теперь сравним энергетические параметры NFM и SSB.

Поскольку однополосная модуляция является амплитудной, то на стороне передачи ее мощность относительно 100%-ной (в аспекте амплитуды) будет определяться пик-фактором модулирующего сигнала. При пик-факторе, равным трем, как мы уже считали, потеряем 6 дБ. Но тут же отыграем 7 дБ на том, что при SSB вся полоса модуляции (0,3…2,7 кГц) является полезной, а на NFM она «размазана» в 12-килогерцовую (это рассматривали выше).

На стороне приема SSB еще раз выиграет 7 дБ (10*Log10(12/2,4)=7 дБ) за счет своих «полосных» свойств. Для УНЧ в приемнике модуляции SSB и NFM будут абсолютно равны при условии установки ФНЧ с полосой 0,3…2,7 кГц.

Что же мы имеем в итоге? Потеряли 6 дБ и тут же отыграли 7 дБ на передаче, плюс - приобрели на приеме еще 7 дБ.

Итого SSB-сигнал получил значение выигрыша 8 дБ (6,3 раза по мощности) относительно NFM.

Но - мы еще не все учли!

На самом деле прирост мощности SSB на малых сигналах превысит полученное значение. Поскольку однополосный тракт линеен (слабый сигнал плавно уходит в шумы), а приNFM имеется порог срабатывания частотного дискриминатора, когда он, наконец, «схватывает» в шумах такой уровень сигнала, который уже разборчив при демодуляции как голосовой.

Причем типовой SINAD (мера разборчивости сигнала над шумами) для амплитудных видов модуляции достаточен 10дБ, а для такой же разборчивости NFM он должен быть не ниже 12 дБ.

Так что «отыгрываем» для однополосной модуляции (и в дальнейшем – для АМ) еще 2 дб (1,6 раза по мощности).

Получаем общую выгоду от SSB относительно NFM в 10 раз по мощности (10 дБ).

Предельный «коэффициент дальности» относительно NFM будет 3,2 для канала прямой видимости или в условиях рефракции (квадратичная зависимость от мощности), и 1,8 для канала с одним преломлением на препятствии (кратен примерно 4-й степени от мощности).

 

Выше автор умолчал о сравнении дальности телеграфии и NFM. По полученным данным и при всех равных условиях, для прямого канала она получается примерно 15-кратной (!).

Однако в этих данных не учтено то обстоятельство, что человеческое ухо в полосе шумов 1 кГц и центральной частоте 0,8…1 кГц уверенно различит телеграфный сигнал при SINAD не выше 6 дБ против 12 дБ при приеме голосового сигнала, переданного посредством NFM. То есть для телеграфа в условиях малых сигналов над шумами «на ровном месте» получаем еще 6-децибельный выигрыш, т.е. четырехкратный (!) запас по мощности.

Так нужны ли после этого дискуссии о том, скоро ли «умрет» телеграф и стоит ли учить азбуку Морзе DX-мену?

Казалось бы, узкополосные виды цифровой модуляции чуть не поставили на CW крест. Но – их использование по сей день проблематично и на КВ, и на УКВ, например, в высоких широтах при геомагнитных возмущениях ионосферы, при которых сигнал начинает «дрожать» и спектрально «размываться», а потому перестает адекватно демодулироваться техническими средствами. Зато этому мало подвержен слуховой аппарат человека, воспринимающий обыкновенную «морзянку» в самых невероятных условиях.

Не говоря уж о том, что собрать буквально «из ничего» телеграфный КВ-трансивер с DSB-приемником прямого преобразования  и опорой на ГПД – радиолюбительская задача из разряда «проще не придумаешь» :-)

 

Идем далее.

Сравниваем SSB и АМ.

Казалось бы, различие лишь в двойной полосе модуляции АМ относительно SSB. Ан нет: ведь еще есть всегда очень расплывчато объясняемая энергетическая составляющая несущей.

Попробуем отобразить все наглядно исходя из формы модулированного сигнала.

«Традиционные» виды модуляции и энергетика радиоканала

 

Видим, что SSB имеет двойную амплитуду (или 4-кратный выигрыш в мощности; 6 дБ) относительно амплитуды 100%-ной АМ. И там, и там будут идентичные условия компрессирования сигнала на стороне передачи и полоса модуляции 2,4 кГц (0,3…2,7 кГц).

АМ относительно SSB потеряет на передаче еще половину мощности (3 дБ) из-за наличия зеркальной полосы и удвоения ширины спектра.

На приеме, опять же из-за удвоенной относительно SSB полосы, АМ потеряет еще 3 дБ. При равном для SSB и АМ SINAD и идентичном «ви’дении» со стороны УНЧ демодулированного голосового сигнала, имеем «статус кво».

Итого получим энергетический выигрыш SSB относительно 100%-ной АМ 6+3+3=12 дБ, или 16 раз по мощности. И, соответственно, получим 4-кратный выигрыш дальности прямого канала.

Хотя на самом деле это значение будет несколько выше из-за невозможности достичь при АМ 100%-ной модуляции и пороговых свойств амплитудного детектора.

 

Заодно заметим, что NFM, помимо высокой разборчивости и слабой чувствительности к помехам амплитудной природы, в аспекте мощности примерно в полтора раза превосходит АМ, что, впрочем, довольно незначительно сказывается на дальности радиосвязи.

 

Вот такая «арифметика»…

 

DIM


Источник | Опубликовал: DIM


и поделитесь с друзьями в соц сетях:


Добавить комментарий

Похожие новости