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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Cos'è la SSB? Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Dispositivi elettronici vari Il nome abbreviato per la modulazione a banda laterale singola (SSB), adottato nel codice radioamatoriale, deriva dall'inglese Single Side Band, che significa una banda laterale. Prima di passare alla considerazione della modulazione a banda laterale singola, ricordiamo che cos'è la modulazione in generale. Allo stesso tempo, per il momento non toccheremo i metodi della sua attuazione. La modulazione è il processo di modifica di uno o più parametri di un dato segnale sotto l'influenza di un altro segnale. Il segnale modulato rappresenta solitamente le oscillazioni più semplici, che sono descritte dall'espressione: u=Ucos(wot+fo), dove U è l'ampiezza; wo=2pfo - frequenza angolare; fo - fase iniziale; t - tempo. I parametri di tale segnale sono l'ampiezza U, la frequenza wо (o fo) e la fase fo. Un segnale a bassa frequenza X(t) che interessa uno di questi parametri è chiamato segnale modulante. A seconda di quale dei parametri è influenzato da tale segnale, esistono tre tipi di modulazione: ampiezza, frequenza e fase. Per analizzare le oscillazioni modulate, utilizzeremo tre diverse idee sul segnale: temporale, spettrale (frequenza) e vettore. Secondo queste rappresentazioni, un'oscillazione del coseno (o sinusoidale). Sulla fig. 1, e il tempo t è tracciato lungo l'ascissa, e il valore istantaneo dell'ampiezza U è tracciato lungo l'ordinata. 1b, l'ascissa indica la frequenza f=w/2p, l'ordinata l'ampiezza. In questo grafico, un'oscillazione sinusoidale è rappresentata come un segmento di linea retta parallelo all'asse y. La lunghezza del segmento corrisponde all'ampiezza di oscillazione U, e la sua posizione sull'ascissa corrisponde alla frequenza fo. In Fig.1, un'oscillazione sinusoidale è rappresentata come un vettore che ruota in senso antiorario con una velocità angolare wo=2pfo=2p/A, dove To è il periodo di oscillazione. La lunghezza del vettore corrisponde all'ampiezza U e l'angolo fo corrisponde alla fase iniziale in cui inizia il conteggio del tempo. Va notato che tutte e tre le idee sul segnale modulante sono completamente equivalenti. Useremo ciascuna di queste o più viste in parallelo quando sarà più appropriato. Consideriamo la modulazione di ampiezza. In questo caso, l'ampiezza U delle oscillazioni ad alta frequenza cambia nel tempo in base al segnale trasmesso a bassa frequenza Um=U+dUx(t), dove dU è un valore costante che caratterizza l'intensità dell'influenza del segnale modulante su l'ampiezza. Sostituendo il valore dell'ampiezza Um nella prima espressione, otteniamo
Il rapporto dU/U=m, che caratterizza la profondità di modulazione, è chiamato fattore di modulazione. Se il segnale modulante cambia secondo la legge X(t)=cosWt, dove W=2pF, F è la frequenza del segnale modulante, allora, considerando la fase iniziale fo uguale a zero, possiamo scrivere u=U(1+m cosWt)coswot. Aprendo le parentesi ed effettuando la trasformazione, otteniamo
L'ultima equazione è la somma di tre forme d'onda del coseno, ovvero la forma d'onda originale (esclusa la fase fo) alla frequenza fo, o la cosiddetta forma d'onda portante a fo+F, frequenza della banda laterale superiore e la forma d'onda a fo-F, frequenza della banda laterale inferiore . Le ampiezze delle oscillazioni laterali sono uguali tra loro e sono proporzionali all'ampiezza della portante e al fattore di modulazione. Sulla fig. 2, a mostra i diagrammi temporale, spettrale e vettoriale dei segnali modulanti e modulati, come si può vedere dalla fig. 2b, l'inviluppo dell'oscillazione modulata ripete completamente il segnale originale.
È più conveniente presentare il diagramma vettoriale in Fig. 2.e in un modo leggermente diverso. Se l'osservatore ruota nel piano del disegno alla velocità del vettore portante, allora questo vettore gli sembrerà fermo e i vettori corrispondenti alle frequenze del lato superiore e inferiore ruoteranno in direzioni opposte con una velocità angolare W. Il l'ampiezza del vettore risultante cambia nel tempo secondo la legge della bassa frequenza e la fase coincide con la fase dell'oscillazione della portante (Fig. 3).
Con la modulazione di frequenza e di fase, la lunghezza del vettore U rimane costante. La sua posizione sull'aereo cambia con il tempo. Il vettore sembra oscillare rispetto alla sua posizione originale. L'angolo di deviazione df è chiamato deviazione di fase. La deviazione di frequenza df dal suo valore nominale fo è chiamata deviazione di frequenza. La differenza tra modulazione di frequenza e di fase è che con la modulazione di fase si verifica una variazione istantanea dell'angolo di fase secondo la legge di una variazione in un segnale a bassa frequenza e con la modulazione di frequenza la frequenza istantanea cambia secondo questa legge. È possibile determinare se un dato segnale è modulato in frequenza o modulato in fase solo se è nota la legge di variazione del segnale a bassa frequenza. Tra i due tipi di modulazione esiste una relazione matematica ben definita. In entrambi i casi, il vettore corrispondente al segnale modulato non ruota attorno alla sua origine in modo uniforme, ma con una velocità angolare variabile. Abbiamo considerato la modulazione con un segnale a bassa frequenza (un tono). Il caso di interesse è quando il segnale modulante non è un semplice armonico, ma più complesso, contenente ad esempio tre o più frequenze. In questo caso non parliamo di frequenze laterali, ma di bande laterali di modulazione. Quando viene modulato da un segnale vocale, che è un'oscillazione complessa con un ampio spettro di frequenze, si formano bande laterali inferiore e superiore. Se la frequenza di modulazione più bassa è Fmin e la più alta è Fmax, l'intero spettro occupato dal segnale modulato in ampiezza (AM) sarà uguale a 2Fmax (Fig. 4).
Lo studio dei segnali di oscillazione AM mostra che le informazioni utili si trovano in una delle due bande laterali di modulazione e la portante non ha informazioni utili. Nel trasmettitore, una parte significativa della potenza viene spesa per la portante, il che rende inefficace la modulazione AM. Ovviamente per trasmettere le informazioni necessarie ci si può limitare a trasmettere solo una delle bande laterali. La portante può essere ripristinata sul ricevitore utilizzando un oscillatore locale locale a bassa potenza. Ciò farà risparmiare non solo l'energia spesa per alimentare il trasmettitore, ma anche la banda di frequenza occupata dal segnale verrà ristretta. C'è anche un certo interesse per la trasmissione di due bande laterali senza portante (DSB) e una banda laterale con portante. Pertanto, considerando la modulazione a banda laterale singola (SWM), toccheremo anche questi tipi di modulazione. Sulla fig. 5 è un diagramma di frequenza dello spettro originale del segnale ricantato, AM, DSB, SSB con portante e SSB senza portante. Un segnale a banda laterale singola può essere formato mantenendo la posizione relativa delle componenti di frequenza dello spettro, come mostrato in Fig. 5f e 5d o con rotazione dello spettro (inversione) (Fig. 5e e 5g). Nel primo caso, lo spettro del segnale a banda laterale singola è chiamato banda laterale superiore o spettro normale, nel secondo caso banda laterale inferiore o spettro invertito.
La figura 6 mostra i diagrammi vettoriali di AM, DSB, SSB con portante e SSB senza portante quando modulati con uno spettro costituito da due componenti di frequenza W1 e W2. Il vettore vettore è inibito. Per AM (Fig. 6a) abbiamo un vettore portante e due coppie di vettori corrispondenti a due frequenze laterali superiori e due inferiori. Il vettore risultante è in fase con il vettore vettore.
Con DSB (Fig. 6b) non esiste un vettore portante. Pertanto, il vettore risultante coincide con il vettore del vettore soppresso o è diretto nella direzione opposta, cioè è spostato in fase di 180 °. La figura mostra il caso in cui il vettore risultante è semplicemente diretto nella direzione opposta. Nella fig. La Figura 6c mostra un diagramma di un segnale a banda laterale singola con una portante. Entrambe le componenti della banda laterale superiore sono rappresentate da due vettori che ruotano nella stessa direzione con velocità angolari W1 e W2. Il vettore totale con velocità angolare (W1+W2)/2, sommato al vettore portante, forma il vettore risultante v. Come si può vedere dal grafico, questo vettore “oscilla” rispetto alla sua posizione originale e cambia la sua lunghezza. Pertanto, nel caso della modulazione a banda laterale singola con una portante, avviene la modulazione combinata ampiezza-frequenza. La Figura 6d mostra un diagramma vettoriale di un segnale bitonale a banda laterale singola. Il vettore risultante in questo caso è un vettore che ruota alla velocità di (W1+W2)/2 in senso antiorario. Poiché uno dei vettori “recupera” costantemente l’altro, l’ampiezza del vettore risultante cambia. Da ciò possiamo anche concludere che la modulazione a banda laterale singola è una modulazione combinata di ampiezza e frequenza. La ricerca mostra che con la modulazione a banda laterale singola, l'ampiezza cambia secondo la legge dei cambiamenti nelle ampiezze istantanee del segnale modulante e la frequenza - secondo la legge dei cambiamenti nella sua frequenza istantanea. Un ruolo pratico molto importante è svolto dalle caratteristiche temporali dei segnali discussi sopra, poiché devono essere incontrati quando si impostano eccitatori SSB utilizzando un oscilloscopio. Consideriamo quindi in dettaglio prima le caratteristiche temporali durante la modulazione con un tono (Fig. 7), e poi con due toni (Fig. 8).
Il segnale sinusoidale originale a bassa frequenza è mostrato in Fig. 7a. Il diagramma del segnale AM (Fig. 7b) è facile da costruire utilizzando il diagramma vettoriale in Fig.3. La fase dell'inviluppo del segnale AM coincide con la fase del segnale originale durante l'intero periodo di modulazione. La Figura 7c mostra uno schema di un segnale bidirezionale, costruito secondo la Figura 2, ma con un vettore portante uguale a zero. I vettori che ruotano in direzioni opposte due volte in un giro (per periodo T = 1/F) si sommano aritmeticamente e si annullano a vicenda due volte. Pertanto, l'entità del vettore risultante cambia sinusoidalmente e la fase durante metà del periodo del segnale modulante coincide con la fase della portante soppressa e durante l'altra metà si inverte. Poiché l'ampiezza è una quantità positiva, l'inviluppo di un segnale bidirezionale senza portante è una sinusoide, la cui metà negativa viene ruotata di 180° attorno all'asse del tempo. Il riempimento ad alta frequenza dell'oscillogramma è un'oscillazione con frequenza fo, la cui fase viene invertita quando la tensione modulante passa per lo zero. Usando lo stesso diagramma vettoriale della forma d'onda AM, ma scartando uno dei vettori corrispondenti alla banda laterale, si può facilmente costruire una forma d'onda di un segnale a banda laterale singola con una portante. Anche in questo caso l'inviluppo non corrisponde al segnale originale e la distorsione dell'inviluppo sarà tanto maggiore quanto più profonda sarà la modulazione. La linea tratteggiata nella figura mostra l'inviluppo al XNUMX% di modulazione. Il ciclo di lavoro cambia durante il periodo di bassa frequenza. La Figura 7, e mostra un diagramma di un segnale a banda laterale singola senza portante. Il diagramma è un segnale normale sinusoidale, (linea retta avvolgente), di ampiezza costante, con frequenza wo+F o wo-F. Più profonda è la modulazione, maggiore è l'ampiezza del segnale. Considera i diagrammi di temporizzazione di un segnale a due frequenze. Per semplificare la costruzione, prendiamo due segnali con la stessa ampiezza e frequenze multiple F1 e F2=3F1. In Fig. 8a, la linea continua mostra il segnale modulante, che include oscillazioni con le frequenze indicate. La figura 8b mostra un diagramma di un segnale modulato in ampiezza. Il suo inviluppo corrisponde al segnale modulante.
Il diagramma di un segnale a due bande laterali senza portante (Fig. 8c) può essere costruito ragionando allo stesso modo del caso di un segnale a frequenza singola. Durante quei tempi in cui la tensione modulante è positiva, la fase dell'inviluppo corrisponde alla fase della tensione modulante e la fase del riempimento ad alta frequenza coincide con la fase della portante soppressa. Con una tensione modulante negativa, le fasi dell'inviluppo e del riempimento ad alta frequenza sono invertite. La frequenza di riempimento in entrambi i casi è uguale alla frequenza portante f0. Il diagramma temporale di un segnale a banda laterale singola a due toni può essere costruito e analizzato facendo riferimento al diagramma corrispondente in Fig.6. Nel nostro caso, i vettori che ruotano alla velocità W1=2pF1 e W2=2p(3F1)=3W1 hanno la stessa ampiezza, quindi il vettore risultante ruoterà uniformemente alla velocità W2=(W1+3W1)/2=2W Nel momento iniziale, quando entrambi i vettori coincidono, la lunghezza del vettore risultante sarà massima. Di conseguenza, l'ampiezza dell'inviluppo sarà doppia rispetto all'ampiezza di ciascuno dei componenti ad alta frequenza. Durante un giro del vettore, la cui velocità angolare è W1, il vettore con velocità angolare W2 = W3 “raggiungerà” due volte il primo vettore e sarà diretto due volte nella direzione opposta. In accordo con ciò, la lunghezza del vettore risultante durante il periodo T1=1/F sarà pari al doppio dell'ampiezza delle oscillazioni ad alta frequenza tre volte e pari a zero due volte. Il diagramma temporale per questo caso è mostrato in Fig. 8d. La frequenza di riempimento ad alta frequenza è fo+F3=fo+2F1. Va notato che nello spettro delle oscillazioni mostrato in Fig. 8 non ci sono oscillazioni con la frequenza di “riempimento”, cioè con la frequenza portante. Inoltre, il complesso spettro di oscillazione, il cui diagramma temporale è mostrato in Fig. 8d, non contiene la componente di frequenza fo+2F. Con il rilevamento dell'ampiezza dei segnali discussi sopra, l'uscita del rivelatore avrà una tensione corrispondente all'inviluppo delle oscillazioni ad alta frequenza. Nel caso di AM, l'inviluppo ripete il segnale originale, quindi l'uscita del rivelatore apparirà modulando il segnale originale a bassa frequenza. Il rilevamento di un segnale portante a banda laterale singola risulterà anche in un'uscita del rilevatore di tensione corrispondente all'inviluppo. Ma, poiché l'inviluppo stesso non riproduce accuratamente il segnale modulante, il prodotto di rilevamento sarà anche un segnale distorto e più profonda è la modulazione, maggiore è la distorsione. È chiaro che il rilevamento DSB o SSB convenzionale produrrà solo distorsione. Ad esempio, quando modulato con un singolo tono F, il rilevamento DSB risulterà in un segnale 2F1 e le sue armoniche, mentre il rilevamento SSB produrrà solo una componente CC. Il rilevamento di DSB e SSB, come notato sopra, viene eseguito utilizzando un oscillatore locale che ripristina la portante. È interessante notare che il recupero della frequenza portante nel caso del DSB deve essere eseguito con una precisione di fase (a meno che, ovviamente, il ricevitore non passi da entrambi i lati). In caso contrario, compaiono fenomeni indesiderati. Il processo di rilevamento è illustrato da un diagramma vettoriale (Fig. 9), in cui il vettore ripristinato differisce in fase dal vettore soppresso di un angolo f. Allo stesso tempo, la variazione della lunghezza del vettore totale diminuisce, di conseguenza l'effetto di rilevamento diminuisce. Quando la fase è sfasata di un angolo f=90°, il rilevamento dell'ampiezza non fornirà alcuna tensione a bassa frequenza in uscita.
Il rilevamento di SSB con una portante recuperata nel ricevitore è sostanzialmente lo stesso del rilevamento di un segnale a banda laterale singola con una portante non soppressa. Tuttavia la forma del segnale di uscita (inviluppo) in questo caso, come chiarito in precedenza, è influenzata dal rapporto tra l'ampiezza del segnale dell'oscillatore locale e l'ampiezza del segnale rilevato. Ovviamente, la distorsione sarà insignificante quando l'ampiezza della tensione dell'oscillatore locale è molte volte maggiore dell'ampiezza del segnale rilevato. Ciò può essere verificato considerando il diagramma temporale di un segnale a banda laterale singola con una portante non soppressa (Fig. 7d). Autore: L. Labutin (UA3CR); Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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