Телеграфная манипуляция

В зависимости от параметра, который подвергается манипуляции, различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляцию. Амплитудная манипуляция или амплитудная телеграфия относится к способу передачи информации в кодированном виде с основанием кода равным двум. Один элементарный сигнал кода соответствует излучению незатухающих колебаний передатчиком (посылке), а другой сигнал - отсутствию этого излучения (паузе). Возможность работы радиосигналами АТ сохраняется в самых современных радиостанциях, т. к. они предполагают передачу информации кодом Морзе и слуховой прием, обеспечивающий высокую помехоустойчивость. Радиосигнал при реальных скоростях манипулирования является самым узкополосным сигналом. Обычно занимаемая ширина полосы частот 20…25 Гц.

Сигналы подразделяются на непрерывные и дискретные. Дискретные сигналы передаются с помощью радиотелеграфной связи. Отличительной особенностью радиотелеграфной передачи является кодирование сообщения. Каждый отдельный передаваемый символ (буква алфавита, цифра или знак) имеют свою кодовую комбинацию элементарных сигналов. Для передачи по каналу связи закодированное сообщение преобразуется в высокочастотный сигнал путем манипуляции радиоколебаний передатчика. В зависимости от параметра, который подвергается манипуляции, различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции.

Рисунок, иллюстрирующий методы модуляции цифрового сигнала:

Амплитудная манипуляция (АМн; англ. amplitude shift keying (ASK) — изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания. АМн.

При амплитудной манипуляции один элементарный сигнал кода соответствует излучению полной мощности передатчика (посылка), а другой - отсутствию излучения (пауза). Этот вид работы обозначается А1. Иногда производят амплитудную манипуляцию тонального сигнала с последующей амплитудной модуляцией колебания несущей частоты. Такой вид работы обозначается А2, он выгоден при слуховом приеме телеграфных сигналов.

Частотная манипуляция

Частотная манипуляция - это передача цифровых данных посредством дискретного изменения частоты несущей волны. Частотная манипуляция (ЧМ), осуществляется за счет небольших изменений несущей частоты. При частотной манипуляции значениям "0" и "1" информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде.

Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала.

Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала.

Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

При частотной манипуляции используется только два значения частоты. Единица, как правило, передается низкой, а нуль - высокой частотой.

Значения битов информационного сигнала, равные 1 или 0, представляются в виде положительного или отрицательного сдвига частоты несущего сигнала. Под отрицательным сдвигом частоты подразумевается ее уменьшение, под положительным — увеличение на определенную небольшую величину. Приемник определяет этот сдвиг, осуществляя тем самым демодуляцию сигнала.

Частотная манипуляция с минимальным сдвигом представляет собой способ модуляции, при котором не происходит скачков фазы, а изменение частоты происходит в моменты пересечения несущей нулевого уровня.

Частотная манипуляция с минимальным сдвигом уникальна потому, что значение частот соответствующих логическим "0" и "1" отличаются на величину равную половине скорости передачи данных. Другими словами, индекс модуляции равен 0,5.

Например, при скорости передачи 1200 бит/с - сигнал будет сформирован из колебаний с частотами 1200 Гц и 1800 Гц соответствующих логическим "0" и "1".

Частотную манипуляцию особенно использовали в телеграфной передачи данных.

При частотной манипуляции (частотной телеграфии) передатчик все время излучает одну и ту же энергию, но каждому элементарному сигналу кода соответствует колебание определенной частоты. Принято считать, что колебанию с более высокой частотой соответствует передача позитивной посылки (нажатие), а колебанию с нижней частотой - передача негативной посылки (отжатие). Такой вид работы обозначается F1. Сдвиги между частотами «нажатие» и «отжатие» выбирают равными 125, 200, 250, 400, 500, 1000 ГЦ.

При частотной манипуляции (ЧМн, англ. Frequency Shift Keying (FSK)) значениям "0" и "1" информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала. Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.

Для уплотнения телеграфных линий используется двухканальная частотная телеграфия (F6), при которой передатчик может излучать колебание на одной из четырех частот. Колебанию каждой из них соответствует одна из всех возможных комбинаций телеграфных посылок:

частоте 1 - пауза на обоих телеграфных аппаратах,

частоте 2 -посылка на первом и пауза на втором аппарате,

частоте 3 - пауза на первом и посылка на втором аппарате,

частоте 4 - посылка на обоих телеграфных аппаратах.

Частотная телеграфия

Частотная манипуляция или частотная телеграфия (ЧТ) при двоичной системе кодирования предусматривает передачу символов "0" и "1" на двух разных частотах. Каждому элементарному сигналу соответствует колебание своей частоты. Вид и спектр сигнала ЧТ изображен на плакате. Частота fВ выше частоты fБ. Разность частот fВ - fБ называют частотным сдвигом.

Телеграфные сигналы — азбуку Морзе — чаще всего передают при помощи амплитудной манипуляции. В передатчике этот метод реализуется наиболее просто по сравнению с другими видами манипуляции. Приёмник для приёма телеграфных сигналов на слух, напротив, несколько усложняется: в нем должен присутствовать гетеродин, работающий на частоте, близкой к частоте принимаемого сигнала, чтобы на выходе приёмника можно было выделить разностную звуковую частоту. Пригодны приёмники прямого преобразования, регенеративные в режиме генерации и супергетеродинные с дополнительным «телеграфным» гетеродином.

Амплитуда высокочастотного сигнала на выходе радиопередатчика принимает только два значения: включено и выключено. Соответственно, включение или выключение («ключевание») выполняется оператором с помощью телеграфого ключа или с помощью автоматического формирователя телеграфных посылок (датчика кода Морзе, компьютера). Огибающая радиоимпульса (элементарной посылки — точки и тире) на практике, естественно, не прямоугольная (как это показано схематично на рисунке), а имеет плавные передний и задний фронты. В противном случае частотный спектр сигнала может стать недопустимо широким, а при приёме сигнала на слух ощущаются неприятные щелчки.

При модуляции дискретных сообщений используется двухступенчатая модуляция, это связанно с тем, что в идеальном случае полоса пропускания радиоприемника должна быть равна спектру принятого сигнала. Практически данное требование из–за нестабильности частоты несущей радиопередатчика и частоты гетеродина радиоприемника реализовать не удается: полосу пропускания с учетом названых нестабильностей частоты приходится расширять, что снижает помехоустойчивость. По этому более эффективной оказалась двухступенчатая модуляция, при которой логические 1 и 0 модулируют сначала поднесущую сравнительно низкой частоты, а затем этой поднесущей модулируют частоту несущей радиопередатчика.

Структурная схема частотной телеграфии

В первой ступени модуляции сигнал, поступающий от источника информации, с помощью кодирующего устройства (кодера) преобразуется в последовательность двоичных сигналов – в биты информации. Далее в модуляторе 1 логической 1 присваивается частота F1, а логическому 0 – F2. Далее синусоидальный сигнал с частотой F1 и F2 во второй ступени модулирует с девиацией частоты несущей радиопередатчика. В радиоприемнике такой сигнал дважды проходит процедуру демодуляции: сначала выделяется частота, а затем – исходящее цифровое сообщение – битовая последовательность. При такой двухступенчатой модуляции полос пропускания фильтров, устанавливаемых в канале поднесущей частоты, удается сузить до ширины спектра передаваемого сообщения и тем самым повысить помехоустойчивость.

В режимах ЧТ и ДЧТ в соответствии с первичным сигналом UF(t) изменяется частота высокочастотного колебания, принимая два (при ЧТ) или четыре (при ДЧТ) дискретных значения, отличающихся друг от друга на некоторую величину Δƒс, называемую частотным сдвигом.

Сигнал ДЧТ (двойное частотное телеграфирование) обеспечивает передачу информации одновременно по двум каналам. Каждому сочетанию символов в каналах приписывается определенная частота (см. Таблицу).

Причем fГ>fВ>fБ>fА. Частотные сдвиги fГ - fВ; fВ - fБ; fБ - fА выбираются равными. Для того, чтобы привязать сигналы ЧТ и ДЧТ к частотной оси, вводят понятие номинальной частоты сигналов f₀ = (fБ + fВ)/2.

В случае одноканальной работы (режим ЧТ) частота принимает одно из двух значений: ƒБ при передаче бестоковой «0» посылки или ƒВ при передаче токовой «1» посылки.

При двухканальной работе (режим ДЧТ) частота принимает одно из четырёх значений: ƒА при передаче бестоковой «0» посылки по обоим телеграфным каналам; ƒБ при передаче по первому каналу бестоковой посылки, а по второму токовой; ƒВ при передаче по первому каналу токовой посылки, а по второму бестоковой; ƒГ при передаче по обоим каналам токовой посылки.

В современных радиосистемах формирование дискретных частот, соответствующих комбинациям первичных телеграфных сигналов, осуществляется на основе высокостабильного опорного кварцевого генератора с помощью делителей частоты и схемы управления.

Полоса частот, занимаемая радиосигналом ЧТ, определяется по формуле

ΔF ЧТ = (3 − 5)В+Δƒс ,

а радиосигналом ДЧТ по формуле

ΔF ДЧТ = (3 − 5)В+3Δƒс

где В − скорость телеграфирования в бодах; Δƒс − частотный сдвиг в герцах.

ЧТ и ДЧТ сигналы широко используются при автоматической документальной связи, обеспечивающей передачу буквенно-цифрового текста со скоростями 50…200 Бод.

Бод - единица скорости телеграфирования, равная количеству элементарных импульсов тока, передаваемых в секунду. Названа в честь французского изобретателя Ж. М. Бодо.

Фазовая манипуляция

Фазовая манипуляция - это скачкообразное (дискретное) изменение фазы колебания передатчика в соответствии с передаваемой последовательностью. По сравнению с рассмотренными выше манипулированными по частоте и амплитуде сигналами фазоманипулированный сигнал имеет одну существенную особенность. При приеме сигналов как с амплитудной (AT), так и частотной (ЧТ) манипуляцией можно точно измерить и амплитуду, и частоту излучаемого передатчиком колебания. Другими словами, в любой момент времени по измеренному значению амплитуды (при AT) или частоты (при ЧТ) колебания на выходе передатчика можно точно сказать, какой элементарный сигнал передается - посылка или пауза.

Фазовая манипуляция (ФМ) происходит за счет небольших изменений фазы несущего сигнала. При ФМ для передачи данных используются изменения фазы, в то время как частота остается постоянной. Фазовый сдвиг может быть как положительным, так и отрицательным относительно фазы опорного сигнала. Приемник способен обнаруживать эти сдвиги фазы и получать в результате соответствующие биты данных.

Прифазовой манипуляции можно измерить относительное значение фазы колебания либо по фазе другого, или, как его называют, опорного колебания, либо по фазе того же колебания, но на другом интервале времени. В первом случае говорят о системе фазовой телеграфии (ФТ), во втором - о системе относительной фазовой телеграфии (ОФТ). При ФТ передатчик непрерывно излучает колебание на одной и той же частоте, причем нажатию соответствует излучение несущего колебания со сдвигом по фазе на 180°.

Фазовая манипуляция осуществляется скачкообразным изменением фазы при переходе от посылки к паузе и от паузы к посылке.

Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию, каждая - своей последовательностью бит.

Как видно на рисунке, изменение фазы происходит при каждом изменении полярности сигнала данных.

Спектр фаз

Основным недостатком фазовой телеграфии является возникновение «негативной работы» при случайном скачке фазы опорного колебанияна 180°. От этого недостатка свободна система ОФТ.

В системе ОФТ при переходе от одной элементарной посылки к другой фаза сигнала изменяется только в том случае, если следующая передаваемая посылка будет негативной. Так, при передаче нажатия фаза высокочастотного элементарного сигнала совпадает с фазой предыдущего, а при передаче отжатия - противоположна ей. Находит применение и двойная фазовая и относительная фазовая телеграфия.

Коэффициент шума - это отношение мощности шума на выходе приемника к мощности шума, которая была бы на его выходе только из-за шумов согласованного источника сигнала.

Под чувствительностью обычно понимают способность приемника принимать слабые сигналы и воспроизводить их с соответствующим уровнем и необходимым качеством.

Согласно рекомендациям международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР) под максимальной чувствительностью подразумевают наименьшее значение напряжения входного сигнала (выраженное через ЭДС или мощность несущего колебания в антенне), поданного через эквивалент антенны на вход приемника, при котором на его выходе получается определенная мощность при заданном качестве приема. Если усиление в приемнике достаточно для получения необходимого выходного уровня, то максимальная чувствительность ограничивается шумами РПУ. В противном случае при недостаточном усилении чувствительность ограничивается усилением РПУ. Для сравнения приемников по чувствительности удобно пользоваться предельной чувствительностью, под которой понимается такой уровень сигнала в антенне, при котором отношении сигнал-шум на выходе приемника равно единице.