在業(yè)余無線電短波通信中,單邊帶制(SSB)占據(jù)著極其重要的位置。與調(diào)幅和調(diào)頻制相比較,其主要特點如下:
一、節(jié)約頻帶。信道容量可增加一倍,從而部分的解決了短波通信中電臺擁擠的問題。
二、節(jié)約功率。與調(diào)幅制相比,在一定條件下,要達到相同的通信效果,單邊帶通訊用到的發(fā)射功率僅是調(diào)幅通訊用到的發(fā)射機功率的1/16.
三、沒有門檻效應。即使是在微弱的信號下,仍可勉強維持通信。
四、各信道間相互干擾小。保密性也稍好。
五、網(wǎng)絡通信的可能性。不會象調(diào)幅制那樣出現(xiàn)嘯叫聲。
其缺點則主要是技術難度大。對頻率穩(wěn)定度、濾波器的選擇性和放大器的線性要求較高。
各種調(diào)制式都有它的特點和適用范圍,單邊帶通信和雙邊帶通信相比較也有它突出的特點。下面我們從調(diào)制信號占據(jù)的帶寬,發(fā)射機功率的有效利用程度和抵抗傳輸失真等主要方面,來分析單邊帶制的特點。
(一)、節(jié)約頻帶
由于單邊帶通信只是利用調(diào)幅信號中的一個邊帶進行通信,由此能節(jié)省頻帶。設被傳偷的聲頻信號的最高頻率分量為Fmax,并用Bam、Bssb、Bfm分別表示調(diào)幅、單邊帶和調(diào)頻時信號的帶寬,則它們分別等于:
Bam=2Fmax
Bssb~=Fmax
Bfm~=2(1+mf)Fmax
Bfm式中的mf是調(diào)頻指數(shù),mf=Aω/Ω等于最大頻移與最高音頻角頻率之比,其值一般取1.6-5視不同用途而異,以Fmax=3KHz為例,可得:
Bam=6KHz
Bssb=3KHz
Bfm=18KHz(取mf=2)
從比較看出,單邊帶信號頻譜占用的頻帶寬度最小,因而對高頻頻譜利用得最經(jīng)濟,在同樣的有限高頻頻段內(nèi),就可以使無線電波道容量比用調(diào)幅制時增加一倍,從而部分地解決了短波波段空中頻譜擁擠的問題。
(二)、功率節(jié)約
在雙邊帶通信中,由于調(diào)幅波是由三個分量合成的,因此調(diào)幅波的功率就分配在載頻和兩個邊帶上。載波成分電流振幅最大, 而邊頻成份電流振幅最小,因此,一個幅調(diào)波的總功率的大部分就消耗在不代表信號意義的載頻上,而真正含有信號意義的每個邊頻的功率則是很少的。
設載波功率Po=1/2I2cR,式中R為負載, 每一邊帶功率:PΩ=1/2(MIc/2)2R=1/8M2I2cR,
調(diào)幅波的總功率:P=Po+2PΩ=1/2I2cR+2(1/8M2I2cR) =1/2I2cR(1+M2/2)-Po(1+M2/2).
當M=1時,調(diào)幅波的總功率是載波功率的150%,其中載波功率占全部功率的2/3,二個邊惜共占全部功率的1/3,每個邊帶只占全部功率的1/6,也就是說,在調(diào)幅波中, 不代表信號意義的載波分量,白白地消耗了2/3的總功率, 而包含有信號意義的每一個邊帶只分配到1/6的總功率,上面我們假設調(diào)幅度M=1,實際上語言調(diào)制時M有大有小,最大等于1,不然就產(chǎn)生過調(diào)制,所以語言調(diào)制時M只能取其平均值,通常M平均=0.3,這樣每個邊帶所占有的總功率是很小的,可見,調(diào)幅制通信中功率是很不節(jié)省的。單邊帶通信由于只發(fā)射一個邊帶,這就沒有功率分散現(xiàn)象,這意味著在達到同樣的通信效果時,單邊帶通信可以比調(diào)幅通信發(fā)射較少的功率,從這個意義上說是節(jié)省了發(fā)信機的功率,降低了電源能量的消耗。反過來說,當發(fā)信機發(fā)射相同的功率,則單邊帶通信將會有較好的效果,能增加通信距離或改善接收信號的質(zhì)量。由于調(diào)幅制和單邊帶制它們兩者技術規(guī)范各不相同,很難作準確的比較。通常對調(diào)幅發(fā)射機我們是按其載波功率來規(guī)定其額定容量的,而對單邊帶發(fā)射機則用峰值包絡功率來確定其功率參數(shù),因此兩者的比較是在一定條件下進行的。
我們知道,發(fā)射機的功率決定于輸出放大器,電子管或晶體管所產(chǎn)生的功率,對于同一個電子管或晶體管,由于受最大直流電壓、最大電流、功耗等因素的限制,還由于放大調(diào)幅信號或單邊帶信號產(chǎn)生失真大小的限制,通常這兩者的最大輸出功率是一定的。我們設調(diào)幅發(fā)信機與單邊帶發(fā)信機兩者的最大功率相等,看接收機輸出端得到的信號功率的關系。
設載波電壓為Uo,凋制度為M,話音最強時,最大調(diào)制度為Mmax,則這時電壓幅度為:UM=Uo(1+Mmax)
接收機解調(diào)后的電壓振幅UAM與MUo成正比。
故UAM=KMUo其中K為常數(shù)。
用最大電壓UM表示時:
UAM=KM/K+Mmax.UM
單邊帶電壓的振幅Us與調(diào)制電壓成正比,最大調(diào)制時單邊帶電壓振幅也設為UM,兩者用調(diào)幅時的M、Mmax表示,
Us/UM=UΩ/UΩmax=(KUΩ/Uo)Uo/(KUΩmax/Uo)Uo=M/Mmax
M=KUΩ/Uo
其中,M為調(diào)制度。
所以 Us=M/Mmax.UM
單邊帶信號解調(diào)后的電壓直接與單邊帶電壓成正比例,故
USSB=(KM/Mmax)UM
因此,當發(fā)信機的最大功率一定(UM一定)時, 收信機解調(diào)后的功率比PSSB/PAM為
PSSB/Pam=(KM/Mmax)UM/[(KM/1+Mmax)UM]2=(1+Mmax/Mmax)2
當Mmax=1時, 比值PSSB/PAM=4
說明在發(fā)信機最大功率一定時,單邊帶收信機解調(diào)后的單邊帶信號的功率比調(diào)幅接收機解調(diào)后的調(diào)幅信號功率大4倍,也即有6分貝的增益。
實際上接收機中總是有噪聲的,因此衡量通信的實際效果,不但要比較解調(diào)后的信號強度,還有噪音的大小。因信號和噪聲的比值(功率比)S/N更能反映實際通信效果。我們知道,接收機本身的噪聲功率的大小是與接收機的帶寬成比例的。由于單邊帶信號的帶寬比調(diào)幅的窄一半,因此單邊帶收信機的噪聲功率比調(diào)幅的要小一半(設收音機帶寬與信號帶寬相同)。這樣,僅由于信號帶寬不同,單邊帶通信比調(diào)幅通信,在功率節(jié)省上又有2倍即3分貝的好處。總之,在發(fā)信機最大功率和收信機輸出端的信噪比S/N相同的條件下,可以得出單邊帶制比調(diào)幅制在功率上起碼提高了9分貝的增益。
(三)、受傳播條件的影響小
短波通信主要是靠電離層的反射實現(xiàn)天波通信,電離層對幅調(diào)波信號中的載頻衰落時,對通信影響較大,而對邊帶中的頻率衰落時,對通信影響較小。由于電離層很不穩(wěn)定,造成對載頻衰落忽大忽小,這樣接收機接收到的信號也是忽大忽小,甚至使信號中斷,不能保證正常通信。載波的衰落還會引起強烈的非線性失真,圖7是載波衰落,振幅減少時引起過調(diào)制而造成接收信號嚴重失真的幅調(diào)波波形。
為進一步理解選擇性衰落對幅調(diào)波的影響,假設發(fā)射機發(fā)出M=1的單音幅調(diào)波,載波分量與兩個邊頻分量的大小分別為1,1/2,1/2.
設由于選擇性衰落使載波振幅達到接收點時,減小1/2,兩邊頻幅度不變。沒有衰落時,原包絡為正弦波信號。如下式所示。
u=uo(1+cosΩt)cosωot
當載波振幅減少1/2時,上式將變?yōu)椋簎=1/2uo(1+cosΩt)cosωot
圖8(a)畫出了載波減少1/2后的失真波形,可見包絡檢波后將產(chǎn)生許多Ω的諧波頻率,圖8(b)是載波移相90°時的包絡失真情況。
設由于選擇性衰落使載波相位到達接收點時,相對于原來的相位變化了90°,兩邊頻相位不變。
由于載波移相90°,則表達式為
u=uo[cos(ωot+90°)-McosΩtcosωot]
可見邊頻相位不變。
我們可以用矢量相加的辦法求出其包絡(即三個矢量和的長度)。如圖9所示,
從圖9(b)可求出包絡Uon為:Uon=√Uo2+Un2
將Un=√2x1/2UocosΩt代入上式得
Uon=√Uo2+(UocosΩt)2=Uo√1+cos2Ωt
根據(jù)上面所得的包絡數(shù)學表達式,就可得到圖8(b)所示的載波移相90°時的幅調(diào)波波形,可見這個波形經(jīng)檢波后得到的不是角頻率為Ω的音頻信號,而變成了角頻率為2倍Ω的音頻信號,圖10描述了調(diào)幅信號在不同的選擇性衰落時所造成的后果,給出解調(diào)輸出變壞的情況。
第一種情況是輕微的,只是損失些信號的幅度。第二種情況是載波衰落,振幅減少,引起過調(diào)制而造成接收信號嚴重失真。第三種情況是載波相位偏移,檢波后得到的不是角頻率為Ω的音頻信號,而變成了角頻率為2倍Ω的音頻信號所引起的失真。
在單邊帶通信中,各信道之間的相互干擾是比較小的,這是因為保證同樣效果通信條件下,單邊帶制發(fā)射功率小而且在峰值功率相同時單邊帶的平均功率也較小,另一個原因是單邊帶制中,停止講話就停止高頻發(fā)射。
單邊帶制的另—個優(yōu)點是便于多路復用。通常的調(diào)幅制通信中,由于占用的頻帶寬,載波占用的功率大,一般只能傳送一路話,單邊帶通信在同樣的頻帶中卻可以傳送兩路單邊帶話。單邊帶制要實現(xiàn)電報及多路電報通信也比較容易,如用電報信號(頻率很低的脈沖),控制一單音頻信號的有無,所產(chǎn)生的音頻電報信號搬移到載波的一側(cè),就構成“高頻”電報信號,若電報信號交替控制兩個音頻,便產(chǎn)生移頻報,它同樣可以進行單邊帶調(diào)制。當兩路或多路電報信號控制許多不同音頻,再進行單邊帶調(diào)制時,就可以在—個邊帶話路上傳送兩路或多路無線電報。
單邊帶制的出現(xiàn)和其他事物—樣有它的優(yōu)點,也有它的缺點,它的缺點主要是載頻穩(wěn)定度要求高,這樣,對各級振蕩器的頻率穩(wěn)定度提出了更高的要求。另外要求電路性能穩(wěn)定選擇性好,對濾波器的制造和調(diào)整也提出了更高的要求。
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