Однополосная модуляция

Спектры сигналов с однополосной модуляцией в сравнении с однополосной АМ

Однополо́сная модуля́ция (амплиту́дная модуляция с одно́й боково́й полосо́й) (ОМ, англ. single-sideband modulation, SSB) — разновидность амплитудной модуляции (AM), широко применяемая в аппаратуре каналообразования для эффективного использования спектра канала и мощности передающей радиоаппаратуры. Однополосная амплитудная модуляция была изобретена в 1915 году Джоном Реншоу Карсоном (англ. John Renshaw Carson)^[1]

Формула

Однополосный сигнал [math]\displaystyle{ s_\text{ом}(t) }[/math] с подавленной нижней боковой полосой имеет вид:

[math]\displaystyle{ s_\text{ом}(t)=k_\text{н}U\cos(\omega_0 t)+\frac{U}{2|u_m(t)|_{\max}}(u_m(t)cos(\omega_0 t)-\widehat {u}_m(t)sin(\omega_0 t)), }[/math]

где [math]\displaystyle{ k_\text{н} }[/math] — коэффициент подавления амплитуды [math]\displaystyle{ U }[/math] несущего сигнала, [math]\displaystyle{ \omega_0 }[/math] — круговая несущая частота, [math]\displaystyle{ u_m(t) }[/math] — модулирующий сигнал, [math]\displaystyle{ |u_m(t)|_{\max} }[/math] — максимальное значение модуля модулирующего сигнала, [math]\displaystyle{ \widehat{u}_m(t) }[/math] — сигнал, сопряженный по Гильберту с [math]\displaystyle{ u_m(t) }[/math]. В случае подавленной несущей значение [math]\displaystyle{ k_\text{н}\le{0.01} }[/math] (– 40 дБ). В случае однополосной модуляции с подавленной несущей для одноканальной аналоговой телефонии такой режим называется J3E^[2]. Для подавления верхней боковой полосы перед [math]\displaystyle{ \widehat {u}_m(t) }[/math] ставится знак плюс.

Принцип

В радиосигнале с АМ 70 % мощности передатчика расходуется на излучение сигнала несущей частоты, который не содержит никакой информации о модулирующем сигнале. Остальные 30 % делятся поровну между двумя боковыми частотными полосами, которые представляют собой точное зеркальное отображение друг друга. Таким образом, без всякого ущерба для передаваемой информации можно исключить из спектра сигнала несущую и одну из боковых полос, и расходовать всю мощность передатчика для излучения только информативного сигнала.

В детекторе приёмника для декодирования однополосного сигнала приходится восстанавливать несущую, то есть смешивать однополосный сигнал и частоту специального гетеродина. В супергетеродине для этого ставится отдельный гетеродин, работающий на частоте, равной последней ПЧ; в приёмнике прямого преобразования несущую восстанавливает единственный гетеродин приёмника; приёмники прямого усиления для приема ОМ, вообще говоря, непригодны.

Сигнал с однополосной модуляцией занимает в радиоэфире полосу частот вдвое уже, чем амплитудно-модулированный, что позволяет более эффективно использовать частотный ресурс и повысить дальность связи. Кроме того, когда на близких частотах работают несколько станций с ОМ, они не создают друг другу помех в виде биений, что происходит при применении амплитудной модуляции с неподавленной несущей частотой.

Недостатком метода являются относительная сложность аппаратуры и повышенные требования к частотной точности и стабильности.

Для формирования сигнала ОМ используются различные методы:

Фильтровый (наиболее распространенный): на выходе смесителя ставится высокодобротный полосовой фильтр с шириной полосы пропускания, равной одной боковой полосе. С этой целью применяются, например, лестничные фильтры на кварцевых резонаторах или электромеханические фильтры.
Фазоинверсионный (фазокомпенсационный): одна из боковых полос инвертируется по фазе и складывается сама с собой (компенсируется). Несущая при этом подавляется фильтром или балансным модулятором.

Применение

ОМ (SSB) ввиду своей эффективности широко используется в профессиональной и любительской радиосвязи. АМ в этой сфере уже почти не применяется.
ОМ используется в аналоговой аппаратуре уплотнения телефонных каналов, например, в таких распространённых аналоговых системах передачи, как К-60П, К-300 и других. В телефонных сетях общего пользования аналоговые системы были вытеснены цифровыми системами передачи на основе ИКМ, однако в ряде ведомственных и военных систем как минимум на территории бывшего СССР применяется до сих пор.
Использование ОМ (SSB) приводит к существенному усложнению и удорожанию приёмной радиоаппаратуры, поэтому в бытовом радиовещании вещание на однополосной модуляции не получило широкого распространения и было окончательно вытеснено цифровым вещанием в стандарте DRM. Одной из причин отказа от SSB в радиовещании также является требование к высокой стабильности и точности опорных генераторов как передатчика, так и приёмника. В случае невыполнения этого требования возникает характерное искажение звукового сигнала, некая «синтетичность» голоса. Это в меру допустимо для речевой информации, но совершенно неприемлемо для передачи музыки.
Как правило, в ведомственных, военных и морских коротковолновых радиосетях используется верхняя боковая полоса (USB).
В любительской радиосвязи принято использовать нижнюю полосу на низкочастотных диапазонах (ниже 10 МГц, что соответствует диапазонам до 40-метрового включительно), и верхнюю — на всех остальных, в том числе на УКВ и СВЧ. Многие приёмо-передающие устройства как профессионального, так и любительского назначения имеют переключатель, позволяющий выбрать любую боковую полосу. Иногда в непрофессиональной аппаратуре ради упрощения схемы подавляют только несущую (такой способ называется DSB — англ. double side band)^[3], что позволяет удовлетворительно принимать однополосные сигналы и передавать, хотя и с меньшей эффективностью, сигналы, которые могут быть приняты на приёмник в режиме ОМ. Однако излучать такой вид сигнала разрешено не во всех странах.
В ведомственных, морских и военных сетях иногда применяется передача разной информации на верхней и нижней боковых полосах или даже дуплексная работа на одной несущей частоте.
Промежуточный между АМ и ОМ вид модуляции с частично подавленной нижней боковой полосой широко применялся в аналоговом эфирном ТВ-вещании.

Другие обозначения

Нижнюю боковую полосу частот (НБП) в англоязычной терминологии обозначают аббревиатурой LSB (англ. lower sideband), верхнюю полосу (ВБП) — USB (англ. upper sideband).

В советской аппаратуре:

A3J-A₁ — ОМ с верхней боковой и несущей не более 3 %;
A3J-B₁ — ОМ с нижней боковой и несущей не более 3 %;
A3A-A₁ — ОМ с верхней боковой и 10 % несущей для автоматической подстройки частоты (АПЧ) для борьбы с эффектом Допплера при связи с быстродвижущимися объектами;
A3A-B₁ — ОМ с нижней боковой и 10 % несущей для автоматической подстройки частоты (АПЧ) борьбы с эффектом Допплера при связи с быстродвижущимися объектами;
A3H-A₁ — ОМ с верхней боковой и 70 % несущей для возможности приёма сигнала с ОМ обычными приёмниками с двухполосной модуляцией;
A3H-B₁ — ОМ с нижней боковой и 70 % несущей для возможности приёма сигнала с ОМ обычными приёмниками с двухполосной модуляцией.

Примечания

↑ Быховский М. А. 4.1 Аналоговые методы модуляции // Круги памяти (Очерки истории развития радиосвязи и вещания в XX столетии). — М., 2001. — С. 28. — 224 с. — ISBN 5-93533-011-.
↑ Обозначение видов радиосвязи (неопр.). Дата обращения: 1 марта 2018. Архивировано 2 марта 2018 года.
↑ JUMA-TRX1 Direct Conversion HF Transceiver Архивная копия от 28 мая 2010 на Wayback Machine.

Литература

Бунимович С. Г., Яйленко Л. П. Техника любительской однополосной радиосвязи. — М.: Издательство ДОСААФ, 1970.

Ссылки

Однополосная модуляция (single side band SSB) Архивная копия от 24 марта 2011 на Wayback Machine

[1] Быховский М. А. 4.1 Аналоговые методы модуляции // Круги памяти (Очерки истории развития радиосвязи и вещания в XX столетии). — М., 2001. — С. 28. — 224 с. — ISBN 5-93533-011-.

[2] Обозначение видов радиосвязи (неопр.). Дата обращения: 1 марта 2018. Архивировано 2 марта 2018 года.

[3] JUMA-TRX1 Direct Conversion HF Transceiver Архивная копия от 28 мая 2010 на Wayback Machine.

[1]

[2]

[3]