Что такое однополосная модуляция
Однополосная модуляция
| Технологии модуляции п ·Аналоговая модуляция |
|---|
| AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ |
| Цифровая модуляция |
| АМн · ФМн · КАМ · ЧМн · GMSK OFDM · COFDM · TCM |
| Импульсная модуляция |
| АИМ · ДМ · ИКМ · ΣΔ · ШИМ · ЧИМ · ФИМ |
| Расширение спектра |
| FHSS · DSSS |
| См. также: Демодуляция |
Однополосная модуляция (Амплитудная модуляция с одной боковой полосой) (ОМ, англ. Single-sideband modulation, SSB ) — разновидность амплитудной модуляции (AM), широко применяемая в аппаратуре каналообразования для эффективного использования спектра канала и мощности передающей радиоаппаратуры.
Содержание
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 приемника 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 приемнике прямого преобразования несущую восстанавливает единственный гетеродин приемника; приемники 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:
Применение
Другие обозначения
Нижнюю боковую полосу частот (НБП) в англоязычной терминологии обозначают аббревиатурой LSB (Lower Sideband), верхнюю полосу (ВБП) — USB (Upper Sideband).
В советской аппаратуре:
Однополосная модуляция, основные способы формирования SSB сигнала
Фильтровый метод формирования однополосного SSB сигнала. Структурные схемы
передатчика, приёмника, реверсивного трансивера.
 Рис.1 Спектры АМ и SSB сигналов |
Третий – фазофильтровый пока не получил широкого распространения.
Одним из распространённых способов создания SSB сигнала является удаление одной из боковых полос с помощью фильтрации, оставляя либо только верхнюю боковую полосу (боковую полосу с более высокой частотой – USB), либо нижнюю боковую полосу (боковую полосу с более низкой частотой – LSB).
Рассмотрим структурную схему подобного передающего устройства с формированием однополосного SSB сигнала методом полосовой фильтрации. 
Рис.1 Структурная схема передатчика с фильтровым формированием SSB модуляции
Второй балансный модулятор предназначен для переноса отфильтрованного однополосного сигнала на рабочую частоту передатчика. Для того чтобы передатчик не был привязан к одной частоте, гетеродин G2 должен быть перестраиваемым, но при этом иметь стабильность частоты такую же, как у кварцевого генератора. Наиболее просто эта задача решается при помощи цифровых синтезаторов частоты (DDS синтезаторов), которые при относительно невысокой стоимости обладают приемлемой стабильностью и возможностью работы на частотах от единиц герц до сотен мегагерц.
Поскольку частота первого гетеродина Fг1, а соответственно, и первая промежуточная частота достаточно велики (при наличии ВЧ кварцевого фильтра), то разнос зеркальных каналов на выходе второго смесителя ещё больше и равен 2*Fг1. В связи с этим, для приемлемого подавления побочного канала окажется вполне достаточным использование простых диапазонных LC фильтров.
После LC фильтра однополосный сигнал поступает на ВЧ усилитель мощности и далее на антенну.
Давайте рассмотрим работу передатчика с фильтровым формированием SSB модуляции (Рис.1) на каком-нибудь абстрактном примере.
Подадим на микрофонный вход НЧ сигнал частотой 1кГц, а на 2 вход балансного модулятора сигнал частотой 10МГц. Фильтр, естественным образом, тоже настроим на 10МГц. Его полоса пропускания для USB модуляции составит: от Fг1 + (100Гц) до Fг1 + (2,1. 3кГц) = 10,0001. 10,003 МГц.
На выходе модулятора имеем 2 частоты: Fг1 ± 1кГц, т. е. 10,001 МГц и 9,999 МГц. Кварцевый фильтр пропустит на выход только 10,001 МГц.
Да твою же мать! – сказали мужики и почесали репы на предмет своей судьбы.
Налицо инверсия боковой полосы, – объяснило им интернет сообщество, – После первого смесителя была верхняя БП, а после второго – нижняя.
А потом подумали, подумали совместно и заулыбались ослепительно, будто кто-то пообещал им налить по рюмахе и накормить мороженым.
А ведь и на самом деле, нам в данном случае как раз и нужна именно нижняя боковая полоса, так как в любительской радиосвязи принято на частотах ниже 10 МГц использовать LSB, а выше 10 МГц – USB.
Что делать для частот, превышающих 10 МГц? Всё очень просто – опустить частоту гетеродина G2 ниже искомого значения и осуществить преобразование «вверх».
Таким образом, для трансляции на 14 МГц нам надо установить частоту G2 (Fг2) равной 4 МГц и с удовлетворением констатировать, что на выходе второго смесителя у нас будут следующие частоты: необходимая нам Fг2 + 10,001 = 14,001 МГц и зеркалка, которая в случае Fгет < Fвхбудет равна 10,001 – Fг2 = 6,001 МГц .
А что делать, если мы хотим поиметь трансивер, т. е. и приёмник и передатчик в одном флаконе и при этом не менее хотим – в обоих трактах использовать одни и те же ингредиенты?
Хочу отменить, что разобраться без пол-литры в схемах подобных конструкций с реверсивными трактами довольно сложно из-за обилия коммутирующих элементов, значительно усложняющих восприятие электрической схемы. Поэтому на сложный вопрос: «Как выглядит структурная схема реверсивного трансивера?» часто можно услышать простой ответ: «А хрен кто его знает. Ну, разве что кроме самого хрена, который знает практически всё».
Поэтому, давайте-ка исключим из обзора все реле, переключатели или электронные ключи, присущие таким конструкциям, и нарисуем схему SSB приёмника на тех же самых узлах, что и рассмотренный выше передатчик. Из дополнительных элементов добавим только УНЧ и громкоговоритель. 
Рис.2 Структурная схема однополосного SSB приёмника
А теперь проследим, как приведённый на Рис.2 приёмник отнесётся к сигналам, сформированным нашим однополосным передатчиком (Рис.1).
Прохождение 14,001 МГц-ового сигнала также легко можно проследить по соотношениям, указанным на Рис.2. Я же, с вашего позволения, на этом закончу, а различные фазовые методы формирования однополосного SSB сигнала рассмотрим на следующих страницах.
Как данные передаются по радио?
В одном из комментариев к предыдущим статьям был задан вопрос, можно ли по виду сигнала определить вид его модуляции. Идея рассмотреть основные виды модуляции показалась довольно-таки интересной.
Попробуем разобраться, без формул и максимально просто, как можно передать данные из точки «А» в точку «В».
OOK (On-Off Keying)
Самый простой вид цифрового кодирования. Просто включаем-выключаем передатчик в соответствии с двоичным сигналом:
На спектре такой сигнал выглядит примерно так, их довольно много на частоте
Схема передатчика очень проста, поэтому активно используется в беспроводных пультах, радиокнопках и прочих устройствах ценой 1-2$. Никакого шифрования здесь обычно нет, частота и битовая последовательность жестко «зашиты», передать и принять сигнал может любой желающий, так что ставить такой пульт на дверь гаража, где стоит Lamborgini, я бы не стал, но для ночника у кровати вполне сойдет (такая лампа, купленная в ближайшем MediaMarkt, работает у меня 3 года, ложных срабатываний не было ни разу, принцип «неуловимого Джо» в действии).
Интересно отметить, что исторически это наверное один из самых первых способов радиопередачи. Если включать-выключать передатчик с помощью ключа и принимать сигнал на слух или на бумажную ленту, мы получим старую добрую азбуку Морзе.
Амплитудная модуляция (АМ)
АМ мы наверное сможем видеть еще долго — модуляция используется как в вещательных станциях, так и в передатчиках авиадиапазона 118-137 МГц. Отличительная особенность АМ — спектр симметричен относительно центральной частоты. «На глаз» даже можно примерно понять, что передается, речь или музыка. Скриншот из онлайн приемника Websdr Twente:
Исторически АМ был одним из первых способов приема и передачи речи — всем известная «школьная» схема детекторного приемника отличалась крайней простотой, и даже не требовала батареек для приема — для работы высокоомных наушников было достаточно энергии радиоволн. Любопытно, что такие приемники выпускались в СССР серийно аж до 60х годов:
Детекторный приемник «Комсомолец» (с) Википедия
Видимо, с доступностью как приемников, так и источников питания в глубинке были определенные проблемы, так что детекторный приемник долго оставался актуален.
Однополосная модуляция (USB, LSB, SSB)
Однополосная модуляция является частным случаем амплитудной. Как было сказано выше, спектр АМ сигнала симметричен относительно центра. Но можно передавать лишь «одну половину» сигнала, что обеспечивает большую дальность при той же мощности передатчика:
Однополосная модуляция (с) Википедия
Как видно из картинки, можно настроиться на верхнюю или нижнюю боковую полосу, такой режим в приемнике или передатчике соответственно обозначается USB или LSB.
В режиме однополосной модуляции работают служебные станции, передаются метеосводки на коротких волнах, также он используется радиолюбителями. Но не менее важен он еще и тем, что в режиме USB или LSB спектр сигнала фактически переносится с радиочастоты на звуковую без искажений — что позволяет принимать различные виды цифровых сигналов, рассмотренных ниже. Это важно иметь в виду при выборе радиоприемника — цифровые виды связи (FSK, PSK и пр) могут приниматься и декодироваться лишь в режиме однополосной модуляции, простой бытовой приемник с поддержкой «обычной» AM принять такие сигналы не сможет.
Частотная модуляция (FM)
В частотной модуляции работает всем известное FM-вещание. Интересно отметить, что в передатчике FM-станции кодируется не только звук — передается сложный сигнал, включающий моно и стерео каналы, пилот-тон, RDS и пр. Чтобы не путать с «обычной» FM, у инженеров такая модуляция обычно называется WFM (Wide FM). В программе HDSDR несложно увидеть спектр радиостанции после декодирования:
На сигнале (справа снизу) несложно видеть пилот-тон на частоте 19 КГц, RDS, моно и стерео-каналы FM-вещания. В отличие от WFM, радионяни, рации и прочие аналогичные устройства используют «узкую» FM (NFM, Narrow FM) модуляцию, где передается только звук.
Частотная модуляция активно используется и для цифровых сигналов, в этом случае для передачи бинарного кода может использоваться переключение двух частот. В качестве примера можно привести сигнал немецкой станции Pinneberg, наличие двух частот хорошо видно на спектре:
Pinneberg передает метеосводки судам на длинных, средних и коротких волнах. Частот в принципе, может быть и больше 2х. Пример такого сигнала — радиолюбительский FT8:
С помощью FT8 радиолюбители могут обмениваться короткими сообщениями на расстоянии в несколько тысяч километров при мощности всего лишь несколько ватт.
Интересно, что модуляция может быть и комбинированной — например в авиации используется система ACARS, передающая текстовые сообщения. Цифровой FM сигнал передается через АМ передатчик. Зачем так сложно? Вероятно, используется уже готовый передатчик, ко входу которого просто подключили цифровую схему, формирующую FM-сигнал. Legacy в чистом виде, но вероятно, это дешевле, чем менять миллионы передатчиков в аэропортах и самолетах во всем мире.
Фазовая модуляция (PSK)
Кроме частоты, мы можем менять и фазу сигнала, что дает нам фазовую модуляцию. Такие сигналы могут уверенно приниматься на больших расстояниях, и используются в частности, в спутниковой связи. Из радиолюбительских протоколов можно отметить PSK31, который одно время был весьма популярен.
С помощью PSK31 можно обмениваться информацией в виде «текстового чата», подключив трансивер к компьютеру. Фаз может быть больше 2х, например 4, 18 или 16, все зависит от скорости и канала связи.
Можно менять и фазу и амплитуду одновременно, что дает нам еще большую скорость, но требует более сложного кодирования и декодирования. В качестве примера такого сигнала можно привести QAM. Такой сигнал наглядно проще всего изобразить на фазовой плоскости:
Модуляция QAM используется при передаче данных в стандарте LTE и в цифровом телевидении DVB-T.
Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)
Одним из современных методов модуляции является OFDM. Его суть состоит в том, что отдельные биты сигнала можно передавать параллельно, представляя сигнал в виде независимо работающих частотных каналов (subcarriers), каждый из которых передает свой отдельный бит. Есть определенные математические правила, гарантирующие что каналы не будут пересекаться и могут быть декодированы.
В качестве примера можно привести DRM, сигналы такого формата можно увидеть на вещательных диапазонах, разница между АМ и DRM хорошо видна на спектре:
Это цифровой сигнал шириной 10 КГц, в котором параллельно передается 206 несущих с интервалом 47 Гц. Стандарт DRM (Digital Radio Mondiale) используется для передачи цифрового радио на средних и коротких волнах, просьба не путать с другим стандартом Digital Rights Management.
OFDM используется и в WiFi (802.11a), структура сигнала там сложнее, желающие могут изучить PDF самостоятельно.
Code-division multiple access (CDMA)
Другой способ широкополосной передачи — разделение данных. Данные для нескольких получателей могут быть комбинированы в один сигнал с помощью специальной функции (например Walsh code), которая гарантирует как прямое, так и обратное преобразование. Одним из ключевых факторов и в OFDM и в CDMA является так называемая «ортогональность», получаемые сигналы не должны «смешиваться», чтобы из результирующего сигнала можно было извлечь исходные данные.
Кодирование CDMA используется в мобильных сетях 3G. Хороший пример разбора CDMA с помощью ручки и бумаги можно найти здесь, интересующимся рекомендую посмотреть.
Заключение
Все что приведено выше, это разумеется, очень краткое объяснение «на пальцах», в реальности, описание только одного декодера может занять в несколько раз больше текста чем вся статья целиком, да и вряд ли многим здесь это нужно — Хабр это все же не научный журнал. Впрочем, общее впечатление у читателей надеюсь все же осталось. При наличии интереса у аудитории (что будет определяться по оценкам текста:) какой-либо из сигналов можно будет разобрать более подробно.
В завершение интересно отметить, что различные схемы кодирования — это не просто какая-то математическая абстракция — все это активно используется, в том числе и в военных целях (например протокол STANAG модемов NATO). Этот скриншот сделан во время написания текста с помощью онлайн-приемника Websdr:
Как можно видеть, несмотря на наличие интернета практически в любой обитаемой точке планеты, возможность передать данные напрямую, анонимно и без посредников, весьма актуальна — каждая линия на графике это работающий прямо сейчас канал связи (и да, внимательные читатели могут заметить здесь даже сигналы азбуки морзе, несмотря на 2020 год).
Однополосная амплитудная модуляция(single side band SSB)
DSPL-2.0 — свободная библиотека алгоритмов цифровой обработки сигналов
Распространяется под лицензией LGPL v3
Однополосная амплитудная модуляция (single side band SSB) нашла очень широкое распространение в системах связи. Это обусловлено тем, что SSB модуляция позволяет получить минимальную ширину спектра из всех способов модуляции. В данной статье мы рассмотрим принцип формирования сигналов с однополосной модуляцией.
Ранее при рассмотрении амплитудной модуляции было показано, что спектр АМ сигнала симметричен относительно несущей частоты сигнала, как это показано на рисунке 1.
На верхнем графике рисунка 1 представлен спектр 
исходного модулирующего сигнала 
. Исходный модулирующий сигнал имеет полосу 
АМ сигнал имеет спектр 
представленный на втором графике рисунка 1. При этом спектр АМ сигнала симметричен относительно несущей и занимает полосу 
. Поскольку спектр АМ сигнала при вещественном модулирующем сигнале всегда симметричен, то можно передавать лишь одну из его половин (верхнюю или нижнюю относительно несущей), тем самым уменьшить занимаемую полосу в два раза относительно полосы АМ сигнала. Подавив одну из половин спектра АМ получим спектр однополосного АМ сигнала 
. Если подавить левую половину АМ спектра (синюю), то получим сигнал с верхней боковой полосой, а если подавить правую (красную) половину АМ спектра, то получим сигнал с нижней боковой полосой. Примечательно, что гармоника несущей частоты также подавляется, что позволяет максимально использовать мощность передатчика, в отличии от АМ сигнала.
Нам осталось понять как можно подавить одну из боковых полос. Первое что приходит в голову — полосовой фильтр. Однако для обеспечения требуемого подавления боковой полосы и несущей требуется фильтр с низким уровнем боковых лепестков, и очень узкой переходной полосой, что сказывается на порядке фильтра. Поэтому при формировании SSB сигнала прибегают к аппарату преобразования Гильберта и понятию аналитического сигнала.
Ранее говорилось, что полосовой радиосигнал может быть представлен в виде реальной части комплексного сигнала:
— комплексная огибающая сигнала 
. Тогда любой полосовой сигнал может быть сформирован при помощи универсального квадратурного модулятора. В случае АМ сигнала 
— чисто вещественно, а значит спектр комплексной огибающей симметричен относительно нуля и умножение на комплексную экспоненту в выражении (1) переносит симметричный спектр на несущую, в результате получается симметричный относительно несущей 
спектр АМ. Для подавления одной боковой полосы требуется переносить на несущую комплексную огибающую, в спектре которой уже нет одной из боковых полос, тогда получим сигнал SSB как это показано на рисунке 2.
исходного вещественного модулирующего сигнала 
:
— ортогональное дополнение 
аналитического сигнала 
получаем комплексный сигнал 
, спектр которого представляет собой перенесенный на несущую частоту спектр аналитического сигнала 
получим сигнал, спектр которого расположен ниже несущей частоты. SSB сигнал с нижней боковой полосой можно представить следующим образом:
— амплитуда модулирующего сигнала, 
— частота модулирующего сигнала, 
— начальная фаза. Ортогональное дополнение 
