АКАМ – альтернатива АМ в КСДВ радиовещании

С.Н. Комаров, Академик МАС, генеральный директор ООО «Радиовещательные технологии»
В.Г. Тактакишвили, магистр факультета Радио и телевидение МТУСИ

В настоящее время мощное радиовещание в диапазонах КСДВ переживает кризис - использование амплитудной модуляции в связи с плохой энергетикой канала и наличием в нём эфирных шумов потеряло почти всю аудиторию. Приемники дешевы и выпускаются, но их не слушают, поскольку качество сигнала не выдерживает конкуренции с УКВ ЧМ вещанием.

Достоинствами АМ можно считать узкую полосу сигнала (равную удвоенной верхней частоте модуляции), простой алгоритм декодирования (используя синхронный либо пиковый детектор) и отсутствие необходимости в использовании сложных схем обработки сигнала.

Двумя основными недостатками, обуславливающими сокращение количества вещающих радиостанций с амплитудной модуляцией в диапазонах КСДВ являются низкий КПД модуляции и большой динамический диапазон АМ сигнала. Рассмотрим эти недостатки подробнее.

Во-первых, низкий КПД модуляции обусловлен появлением перемодуляции и искажений при увеличении амплитуды боковых. Максимальный уровень боковых, не вызыающий искажений, составляет 50% от уровня несущей по напряжению или 25% по мощности. При передаче такого сигнала КПД модуляции составляет 33,3%, что указывает на большие затраты энергии на передачу несущей, не содержащей информации. При модуляции реальным звуковым сигналом (речь, музыка) КПД модуляции ещё ниже, что обусловлено запасом на пик-фактор.

Во-вторых, сигнал имеет большой динамический диапазон. При 100% модуляции, когда сигнал на выходе передатчика изменяется от двойной амплитуды несущей до нулевого значения, динамический диапазон равен бесконечности. Такой сигнал требует линейного тракта с низким КПД во всём тракте усиления (при формировании сигнала и последующем его усилении). Как частичное решение проблемы используется анодно-экранная модуляция в выходном каскаде^[1].

Для получения возможности увеличения уровня боковых в АМ сигнале относительно несущей и, как следствие, увеличения коэффициента модуляции более 100%, профессором кафедры телекоммуникаций РОСНОУ к.т.н. Поляковым Владимиром Тимофеевичем [1] было предложено повернуть фазу несущей относительно боковых на 90 градусов. При этом модуляция из амплитудной превращается в квадратурную амплитудно-фазовую. Для исключения путаницы с цифровыми манипуляциями (КАМ) - будем называть её Аналоговая Квадратурная Амплитудная Модуляция - АКАМ. В ней суммарный вектор сигнала является гипотенузой двух катетов - неизменного вектора несущей и переменного вектора суммы боковых.

Огибающая сигнала АКАМ не опускается ниже уровня несущей. Максимальный значение амплитуды при этом можно найти по теореме Пифагора как корень из суммы квадратов катетов. Это значение при коэффициенте модуляции равном 100% составит 1.414 и изменение амплитуды сигнала при модуляции 100% будут от 1 до 1,414. Для сравнения, у АМ огибающая колеблется в диапазоне от 0 до 2.

Важным преимуществом сигнала АКАМ является принципиальное отсутствие явления перемодуляции и возможность использования коэффициента модуляции, превышающего 100%, без расширения спектра и искажений сигнала. На графике (Рис. 3а) видно, что с повышением m растет КПД модуляции. Однако, при АМ (показано жирной линией) рост КПД ограничен на уровне 33% значением m = 1 (100%). АКАМ позволяет расти КПД дальше, поскольку энергия модуляции перераспределяется в фазовый сдвиг. Это свойство позволяет значительно повысить КПД модуляции. Например, при m = 400%, КПД достигает 88.9%, а огибающая колеблется в диапазоне от 1 до 4,123 (динамический диапазон 4,123 или 12,3 дБ).

Фиксированный минимальный уровень сигнала (несущая в режиме молчания), свойственный АКАМ, даёт значительный выигрыш при усилении – можно использовать каскады в режимах B и C, не требующие стабилизации режимов.

Важным аспектом АКАМ стоит отметить то, что основная энергия полезного сигнала заключена в изменении фазы, а сопутствующую АМ можно рассматривать, как компенсирующее дополнение, чтобы спектр фазовой модуляции стал бы конечным и равным двойной ширине полосы модулирующих частот, как и при АМ.

Для формирования сигнала АКАМ можно использовать перемножитель, на входы которого подана несущая и модулирующий сигнал, а к результирующему сигналу прибавить несущую, повёрнутую на 90 градусов относительно её фазы на входе перемножителя.

Структурная схема формироваталя АКАМ (Рис. 8).

Как показал эксперимент, в схеме хорошо работает четырехквадрантный перемножитель-сумматор AD835A с двумя дифференциальными входами и позводяющий использовать RC-цепочку для формирования двух сигналов несущей, повёрнутых по фазе на 90 градусов друг относительно друга. Если в верхнее плечо делителя напряжения поставить конденсатор, а в нижнее резистор, то напряжение на конденсаторе можно использовать как сигнал несущей для перемножителя (воспользовавшись дифференциальным входом AD835A), а напряжение на резисторе – как повернутую на 90 градусов несущую для сумматора. Такой фазовращатель имеет достаточную точность поворота фазы в довольно широком диапазоне частот, что позволяет в некоторых случаях использовать неперестраиваемый фазовращатель и формировать радиосигнал сразу на рабочей частоте, заданной опорным генератором или синтезатором, без использования переноса частот.

Экспериментальная осциллограмма полученная с макета формирователя АКАМ приведена на рис. 9. Верхний луч – сигнал модуляции, нижний – АКАМ на частоте 1494 кГц.

Прием АКАМ. Приемник аналоговый с синхронным детектированием и поворотом несущей на 90 градусов относительно принимаемого сигнала. В приемнике необходима аналоговая петля ФАПЧ в канале синхронизации гетеродина с захватом несущей и полосой пропускания меньше нижней частоты модуляции.

Процесс синхронного детектирования иллюстрирует рисунок 11.

Поскольку при синхронном приеме отсутствует пороговый уровень чувствительности, зона неуверенного приема АКАМ при той же мощности передатчика может оказаться больше, чем при АМ. Этому же способствует больший уровень боковых полос, который, например, при m = 4 может достигать двойного значения несущей. Таким образом, исключается ситуация, когда при неуверенном приеме в шумах слышно слабую несущую АМ радиостанции, но модуляцию разобрать невозможно. Расширится и зона как уверенного, так и неуверенного радиоприема. Увеличение средней мощности АКАМ передатчика при m более 1 также будет способствовать увеличению зоны вещания. Что же касается зоны помехи, то уход АКАМ станции в шумы будет происходить более резко, чем при АМ, поскольку при АКАМ большая энергия сосредоточена в боковых полосах и пока станцию слышно, ее можно принимать. Долгая же «тянучка» из-за мощной, но не содержащей информации несущей АМ сигнала, создающей огромную зону помехи, уйдет в небытие.

Положим, что существуют 4 зоны по уровню сигнала вокруг радиовещательной станции:

1. Зона уверенного приема, где уровень сигнала соответствует нормам МККР.
2. Зона неуверенного приема, где присутствуют шумы, однако качество принимаемого АМ сигнала хоть и не обеспечивает комфортного прослушивания музыкальных программ, однако вполне пригодно для прослушивания разговорных радиостанций (что как раз ценно для мощного иновещания на КСДВ).
3. Зона помехи. В этой зоне сигнал радиостанции «ловить можно, но слушать нельзя». То есть, сигнал радиостанции обнаруживается, но разобрать, что там передают невозможно. Поскольку сигнал радиостанции есть в наличии, то в этой зоне использовать эту же частоту для другой радиостанции невозможно, а принимать ту, что работает – тоже нельзя. Неизбежные издержки. У АМ радиостанций, где энергия несущей (создающей зону покрытия, но не содержащей информации), в среднем, на порядок больше энергии боковых, эта зона велика.
4. Зона чистого эфира. Сигнал радиостанции стал ниже уровня шумов на 20 дБ и более, и его наличие не принимается даже на слух.

Теперь по этим критериям сравним три вида модуляции: АМ, АКАМ и DRM.

У всех цифровых видов модуляции, использующих ОФДМ сигнал, есть две беды:

- отсутствие зоны неуверенного приема, где сигнал уже не годится для музыкальных программ (хотя это дело вкуса), но вполне приемлем для разговорных;

- зона помехи шире, чем у аналоговых видов модуляции, поскольку при той же самой средней мощности передатчика, пиковая мощность в десять раз больше.

На основании приведенных рассуждений, можно сделать заключение, что для рационального использования радиочастотного спектра и плотного частотного планирования цифровые виды модуляции следует применять на тех частотах, где распространение радиоволн ограничено либо горизонтом, либо апертурой передающей антенны, то есть, в верхней части ОВЧ диапазона и на более высоких частотах. На частотах в нижней части ОВЧ диапазона (ориентировочно, ниже 100 МГц) и особенно на частотах ниже 30 МГц, где имеет место ионосферное распространение радиоволн, использование цифровых видов модуляции не просто не рационально, а недопустимо.

На этих частотах необходимо использовать аналоговые виды модуляции, в которых энергия сигнала преимущественно сосредоточена в боковых полосах. Одной из таких модуляций является предлагаемая АКАМ.

Использование АКАМ позволяет также передавать стереосигнал в той же полосе частот. Для преемственности сигналов моно и стерео вещания требуется преобразовать сигналы левого и правого канала в суммарный и разностный. Стереосигнал можно получить по-разному модулируя несущую суммарным и разностным каналами или используя фазовое уплотнение каналов. Оба эти способа энергетически и принципиально эквивалентны, в обоих используется комбинация фазовой и амплитудной модуляций, различаются они лишь алгоритмами получения.

В первом случае стереосигнал получается с помощью АКАМ суммарного канала и последующей АМ разностного. При этом в разностном канале желательно сжать динамический диапазон с помощью компрессора. Это приведет к акцентированию стереоэффекта при тихих звуках (субъективно сигнал станет выразительнее) и одновременно к увеличению отношения сигнал/шум в разностном канале. Для сохранения выигрыша в энергетике радиоканала и возможности усиления сигнала в нелинейном тракте, пиковая глубина АМ в разностном канале не должна превышать 50%.

Первый перемножитель формирует на своем выходе двухполосный сигнал с подавленной несущей. Далее к нему суммируется несущая, повернутая по фазе на 90 градусов. Затем полученный сигнал АКАМ во втором перемножителе модулируется по амплитуде разностным каналом. Сигналы суммарного и разностного каналов принимаются разными синхронными детекторами – синфазным и квадратурным.

Возможен и второй вариант: фазовое уплотнение, когда суммарный и разностный каналы (или «левый» и «правый») передаются в квадратуре, один со сдвигом фазы несущей в плюс 45 градусов, а второй – в минус 45 градусов. Такой сигнал можно принимать, разделяя каналы при синхронном детектировании при соответствующем сдвиге фаз гетеродина. Однако, такой вид кодирования не имеет преемственности с моно вещанием и применим там, где нужна независимая передача сигнала по двум одинаковым каналам.

Статья была написана в 2016 году С.Н. Комаровым,
основываясь на идее В.Т. Полякова
и по результатам выпускной бакалаврской работы студента МТУСИ В.Г. Тактакишвили

Литература

1. В.Т. Поляков. «QAM – экспериментаторы», Интернет журнал CQ-QRP. 2015. №52 с. 4-10. Web: http://qrp.ru/cqqrp-magazine/1165-cq-qrp-52.
2. В.Е. Кашпровский, Ф.А. Кузубов. Распространение средних радиоволн земным лучом. «Связь», Москва, 1971.
3. Разработка и исследование квадратурного АМ тракта формирования несущей СЧ диапазона мощностью 10 Вт. Выпускная квалификационная работа бакалавра Тактакишвили В.Г., научный руководитель Комаров С.Н. Москва, МТУСИ, 2016 г. Рецензент Поляков В.Т.

Сноски

^[1]При больших мощностях вещательных КСДВ передатчиков в их выходных каскадах альтернативы радиолампам нет.