3. Zasady nadawania sygnału radiofonicznego
Foniczny sygnał informacyjny (mowa lub
muzyka) jest przekształcany na odpowiedni
prądowy sygnał mikrofonowy małej
częstotliwości (m.cz.) i przesyłany do irządzenia
nadawczego. W urządzeniu tym następuje
wzmocnienie tego sygnału, 30 czym moduluje
on amplitudowo (AM) lub częstotliwościowo
(FM) falę nośną nadajnika. Dzięki temu sygnał
m.cz. jest przeniesiony do innego zakresu
częstotliwości, dogodnego do transmisji
(zmodulowana fala nośna wysokiej
częstotliwości - w.cz. — nadajnika). Sygnał
zmodulowany w.cz. jest następnie wzmacniany i
promieniowany w postaci fali
elektromagnetycznej przez nadawczą antenę
radiową.
3.1. Struktura informacji w radiofonii — sygnał m.cz.
Źródłem sygnałów informacyjnych w radiofonii
są audycje słowno-muzyczne. Sygnały te są
określane przez dwa parametry: zakres
częstotliwości sygnału fonicznego i jego dynamikę.
Całkowite, wierne odtworzenie mowy ludzkiej
wymaga przesyłania sygnałów
o częstotliwości od
100 do 8000 Hz i o dynamice około 40 dB.
Odtworzenie
muzyki wymaga zakresu
częstotliwości od 40 do 15000 Hz i dynamiki około
70 dB.
Na wierność i jakość odtwarzania mowy i muzyki
mają wpływ niedoskonałości urządzeń nadawczo-
odbiorczych (nadajniki, odbiorniki, urządzenia
zapisu i odczytu), wynikające z ograniczonego
pasma przenoszenia i dynamiki.
W radiofonii sygnały foniczne m.cz. są nadawane w
postaci odpowiadających im elektrycznych
sygnałów mikrofonowych o małej częstotliwości z
zakresu od 20 Hz do 20 kHz.
Można wyróżnić trzy sposoby przesyłania sygnałów
fonicznych (dźwięków):
• monofoniczny,
• stereofoniczny,
•
kwadrofoniczny.
W systemie monofonicznym przesyła się tylko
jeden sygnał mikrofonowy m.cz. zawierający
informacje o zakresie częstotliwości i dynamice.
W systemach stereofonicznych i
kwadrofonicznych
dodatkowo przesyła się
informacje o kierunku pochodzenia dźwięku. Aby
uzyskać tę informację, w systemie stereofonicznym
stosuje się przesyłanie dwóch niezależnych
sygnałów mikrofonowych, z dwóch mikrofonów
odpowiednio ustawionych do źródła dźwięku.
Pozwala to na uzyskanie dodatkowych specjalnych
wrażeń
dźwiękowych, np. wrażenie sali
koncertowej, w której oprócz orkiestry słyszy się
szum sali, dźwięki odbite od ścian, obecność
słuchaczy itp.
Opisane wyżej systemy nadawania sygnałów
fonicznych ilustruje w sposób uproszczony rys. 5.
Sygnały mikrofonowe m.cz. ze studia lub wozu
transmisyjnego przesyła się do nadajnika radiowego
drogą przewodową lub radiową linią transmisyjną.
Rys. 5. Rozstawianie mikrofonów w systemach: a) monofonicznym, b) stereofonicznym,
d) kwadrofonicznym
3.2. Sygnały wysokiej częstotliwości w radiofonii monofonicznej
AM/FM
Sygnałem wysokiej częstotliwości w radiofonii
nazywa się sygnał nośny nadajnika o ustalonej mocy
i częstotliwości, który jest modulowany sygnałem
mikrofonowym m.cz. Modulacja odbywa się w
nadajniku radiowym i ma na celu:
- częstotliwościowe rozdzielenie kanałów (stacji)
radiowych. Sygnały radiowe m.cz. wszystkich
stacji radiowych mają ten sam zakres częstotli-
wości akustycznych. W procesie modulacji
widmo sygnałów m.cz. jest przenoszone w inny
zakres częstotliwości, skupiony wokół fali nośnej
danej stacji. Umożliwia to jednoczesną pracę
wszystkich stacji bez wzajemnych zakłóceń oraz
selektywny wybór stacji radiowej,
- ułatwienie emisji radiowej. Sygnały radiowe
mogą być skutecznie emitowane tylko wtedy, gdy
długość fali emitowanej jest porównywalna z wy-
miarami elementu promieniującego anteny
nadawczej. Warunek ten może więc być
spełniony, jeśli fala promieniowana ma wysoką
częstotliwość, a tym samym małą długość.
Sygnały m.cz. z zakresu do 20 kHz odpowiadają
falom o długościach tak dużych, że anteny do ich
promieniowania musiałyby mieć absurdalnie duże
wymiary. Na przykład długość fali odpowiadająca
częstotliwości 20 kHz wynosi:
.
15
]
[
20000
]
[
300000
1
1
km
s
s
km
f
c
=
⋅
=
=
−
−
λ
- zmniejszenie względnej szerokości pasma
kanału radiowego, co ułatwia w odbiorniku
odbiór danej stacji radiowej przy użyciu łatwo
realizowanych filtrów częstotliwościowych.
W radiofonii monofonicznej stosuje się dwa
rodzaje modulacji:
amplitudową i częstotliwościową.
W zakresie fal długich, średnich i krótkich, czyli
w radiofonii AM stosuje się modulację
amplitudową oznaczoną jako AM (ang. Amplitude
Modulation). Modulacja amplitudy polega na tym,
że w takt zmian amplitudy sygnału modulującego
(sygnał mikrofonowy m.cz.) zmienia się
amplituda fali nośnej w.cz. (sygnał nośny
nadajnika), przy czym częstotliwość sygnału
nośnego nie ulega zmianie. Ogólnie mówiąc,
informacja przekazywana do odbiornika (dźwięk)
jest zakodowana w zmianach amplitudy sygnału
nośnego w.cz. nadajnika radiowego. Na rys. 6
przedstawiono ogólną ideę modulacji AM oraz
przebiegi występujące w procesie modulacji.
a) sygnał modulujący m.cz. (informacja) o przebiegu sinusoidalnym
(tzw. fala modulująca)
( )
( )
,
cos
1
t
U
t
U
m
⋅
Ω
⋅
=
gdzie: U
m
– maksymalna amplituda sygnału modulującego,
Ω = 2πf – pulsacja sygnału modulującego;
b) sygnał nośny w.cz. nadajnika radiowego, tzw. fala nośna w.cz. o
przebiegu sinusoidalnym
( )
(
)
,
cos
0
0
2
t
U
t
U
⋅
⋅
=
ω
gdzie: U
0
– amplituda fali nośnej bez modulacji,
ω
0
= 2πf
0
– pulsacja fali nośnej, przy czym f
0
– częstotliwość
fali
nośnej;
c) sygnał nośny w.cz. zmodulowany amplitudowo na wyjściu
modulatora AM w nadajniku radiowym:
( )
( )
[
]
(
)
.
cos
cos
1
0
0
t
t
m
U
t
U
wy
⋅
⋅
⋅
Ω
⋅
+
⋅
=
ω
Rys. 6. Przebiegi i schemat ideowy modulacji AM
Dla uproszczenia zagadnienia przyjęto, że sygnał nośny w.cz. jest modulowany
sygnałem m.cz. o przebiegu sinusoidalnym. W rzeczywistości sygnał ten ma kształt zależny od
rodzaju dźwięku, a jego amplituda zależy od natężenia tego dźwięku. Po rozwinięciu wzoru:
( )
(
)
[
]
(
)
t
t
m
U
t
U
wy
⋅
⋅
⋅
Ω
⋅
+
⋅
=
0
0
cos
cos
1
ω
otrzymuje się następujące składniki sygnału zmodulowanego:
( )
(
)
(
)
[
]
(
)
[
]
t
m
U
t
m
U
t
U
t
U
wy
⋅
Ω
+
⋅
⋅
+
⋅
Ω
−
⋅
⋅
+
⋅
⋅
=
0
0
0
0
0
0
cos
2
cos
2
cos
ω
ω
ω
gdzie:
(
)
t
U
⋅
⋅
0
0
cos
ω
- fala nośna w.cz. nie zawierająca informacji,
(
)
[
]
t
m
U
⋅
Ω
−
⋅
⋅
0
0
cos
2
ω
- lewa wstęga boczna z informacją (LSB),
(
)
[
]
t
m
U
⋅
Ω
+
⋅
⋅
0
0
cos
2
ω
- prawa wstęga boczna z informacją (USB).
Współczynnik m, występujący w powyższym wzorze, jest nazywany współczynnikiem
głębokości modulacji amplitudy i jest określony wzorem:
.
0
U
U
m
m
=
π
2
Ω
=
f
Widmo sygnału zmodulowanego AM dla jednej częstotliwości modulującej
przedstawiono na rys. 7.
Rys. 7. Widmo sygnału zmodulowanego amplitudowo dla jednej częstotliwości sygnału modulującego
Jak widać na rysunku 7, widmo sygnału
zmodulowanego zawiera falę nośną bez informacji
w postaci prążka widma o częstotliwości f
0
oraz dwa
prążki boczne, zawierające tę samą informację o
sygnale modulującym: lewy prążek boczny o
częstotliwości f
0
- f, odległy od fali nośnej o wartość
częstotliwości sygnału modulującego f i prawy
prążek boczny o częstotliwości f
0
+ f, odległy od fali
nośnej o tę samą wartość. Ponieważ w radiofonii
monofonicznej AM stosuje się dwuwstęgową
modulację amplitudową z pełną falą nośną, co
oznacza, że do odbiornika nadaje się falę nośną i
wszystkie częstotliwości skupione po obu jej
stronach, więc szerokość pasma kanału
radiofonicznego AM musi być równa podwójnej
wartości maksymalnej częstotliwości modulującej
f
max
:
,
2
max
f
B
⋅
=
gdzie:
B - szerokość pasma częstotliwości kanału
radiofonicznego AM [Hz],
f
max
- maksymalna częstotliwość modulująca [Hz].
W przypadku nadawania do odbiornika
pełnego pasma akustycznego, dla którego f
max
= 20
kHz, pasmo kanału radiofonicznego AM musiałoby
mieć szerokość B = 2 • f
max
= 40 kHz. W
rzeczywistości, ze względu na ograniczoną
pojemność kanałów radiowych zakresu AM,
szerokość pasma kanału radiowego AM ogranicza
się do 9 kHz. Takie ograniczenie pasma kanału
radiofonicznego AM powoduje, że po demodulacji
AM w odbiorniku otrzymuje się sygnały foniczne
ograniczone w paśmie do 4,5 kHz (f
max
= B : 2 = 9
kHz : 2 = 4,5 kHz), które pozwalają na dobre
odtwarzanie audycji informacyjnych (mowy),
natomiast audycje muzyczne są odtwarzane z gorszą
jakością, gdyż ograniczenie częstotliwości sygnałów
fonicznych do 4,5 kHz powoduje utratę tonów
wysokich typowych dla tego rodzaju audycji. Mimo
opisanej wady modulacji AM, jest ona powszechnie
stosowana i cechuje się prostotą urządzeń
nadawczo-odbiorczych.
W celu zapewnienia dużej jakości przenoszenia
dźwięku, w radiofonii stosuje się systemy
nadawczo-odbiorcze z modulacją częstotliwości.
Jest to tzw. radiofonia FM.
Modulację FM (ang. Frequency
Modulation) stosuje się w zakresie fal ultrakrótkich,
czyli w zakresie UKF. Modulacja częstotliwości
polega na tym, że w takt zmian amplitudy sygnału
modulującego m.cz. zmienia się chwilowa
częstotliwość fali nośnej, a jej amplituda pozostaje
stała. Informacja o sygnale modulującym jest
zawarta w zmianach częstotliwości sygnału nośnego
w.cz. Ideę modulacji FM przedstawiono na rys. 8.
Jak widać na rysunku 8, częstotliwość spoczynkowa
f
0
sygnału nośnego w.cz. zmienia się pod wpływem
zmian amplitudy sygnału modulującego o pewną
wartość ∆f
0
, zwaną dewiacją częstotliwości.
Wynika stąd, że informacja jest zakodowana w
zmianach częstotliwości sygnału zmodulowanego.
Wymaga się, aby zmiany częstotliwości fali nośnej
zależały liniowo od zmian amplitudy sygnału
modulującego, czyli ∆f
0
= k • U
m
, gdzie k jest
współczynnikiem stałym, zależnym od konstrukcji
modulatora FM.
Chwilowa częstotliwość sygnału zmodulowanego
(w czasie modulacji) wynosi:
(
)
.
0
0
0
m
U
k
f
f
f
f
⋅
±
=
∆
±
=
Jeśli sygnał modulujący nie występuje, to na wyjściu
modulatora FM pojawia się sygnał nośny o
częstotliwości spoczynkowej f
0
, gdyż wówczas
∆f
0
=0 oraz
.
0
0
0
0
f
f
f
f
f
=
+
=
∆
±
=
Teoretyczna
charakterystyka robocza modulatora FM powinna
mieć kształt, jak na rysunku 9.
a) sygnał modulujący m.cz. (informacja) o przebiegu sinusoidalnym (tzw. fala
modulująca)
( )
( )
,
sin
1
t
U
t
U
m
⋅
Ω
⋅
=
gdzie: U
m
– maksymalna amplituda sygnału modulującego,
Ω = 2πf – pulsacja sygnału modulującego;
b) sygnał nośny w.cz. nadajnika radiowego, tzw. fala nośna w.cz. o przebiegu
sinusoidalnym
( )
(
)
,
sin
0
0
2
t
U
t
U
⋅
⋅
=
ω
i pulsacji podstawowej (spoczynkowej) ω
0
= 2πf
0
– pulsacja fali nośnej,
gdzie f
0
oznacza częstotliwość spoczynkową fali nośnej;
sygnał nośny w.cz. zmodulowany amplitudowo na wyjściu modulatora AM w
nadajniku radiowym:
( )
(
)
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⋅
Ω
∆
+
⋅
⋅
=
t
f
f
t
U
t
U
wy
sin
sin
0
0
0
ω
Rys. 8. Przebiegi i schemat ideowy modulacji FM
Rys. 9. Charakterystyka ∆f
0
= f(U
m
) modulatora FM
Podobnie jak dla modulacji amplitudowej
AM, sygnał w.cz. zmodulowany częstotliwościowe
(FM) można przedstawić w postaci widma
prążkowego (rys. 10).
Jak widać na rysunku 10, widmo sygnału
zmodulowanego częstotliwościowe, oprócz prążka
fali nośnej o częstotliwości spoczynkowej f
0
,
zawiera szereg prążków bocznych rozmieszczonych
symetrycznie po obu stronach fali nośnej w odle-
głościach równych krotnościom częstotliwości f.
Zakładając, że modulator FM przenosi wszystkie
prążki z informacją o amplitudzie większej niż 5%
amplitudy niemodulowanej fali nośnej U
0
,
szerokość pasma sygnału zmodulowanego FM
można określić jako:
(
)
,
2
max
0
f
f
B
+
∆
=
gdzie:
∆f
0
- dewiacja częstotliwości,
f
max
- maksymalna częstotliwość sygnału
modulujacegom.cz.
Rys. 10. Widmo sygnału zmodulowanego
częstotliwościowe dla jednej częstotliwości
modulującej
π
2
Ω
=
f
Ponieważ przy nadawaniu sygnałów
radiofonicznych w zakresie UKF wartość dewiacji
∆f
0
jest znacznie większa od maksymalnej
częstotliwości sygnału modulującego f
max
(∆f
0
>f
max
),
więc praktyczne pasmo częstotliwości kanału radio-
fonicznego FM wynosi:
B ≈ 2 ∆f
0
.
Przy nadawaniu sygnałów w zakresie UKF ustalono
następujące wartości dewiacji:
- w standardzie OIRT: ∆f
0 maz
= 50 kHz. Wówczas
przy f
max
=15 kHz pasmo kanału monofonicznego
FM: wynosi B = 2·65 kHz =130 kHz,
- w standardzie CCIR: ∆f
0 maz
=75 kHz. Wówczas
przy f
max
=15 kHz pasmo kanału monofonicznego
FM wynosi: B = 2 • 90 kHz = 180 kHz.
Ogólnie przyjmuje się szerokość kanału
radiowego FM równą 250 kHz. Cechą modulacji
FM jest duża wierność odtwarzania dźwięku oraz
odporność sygnału zmodulowanego na szumy i
zakłócenia występujące w czasie przesyłania
sygnału.
Document Outline