Какую модуляцию выбрать для повышения дальности радио­ связи?

Основные факторы, определяющим возможность установления связи, виды модуляции при дальней связи на УКВ

Задачи разработки оптимального оборудования для повышения дальности связи занимают радиолюбительские умы с незапамятных времён изобретения первого радиоприёмника.
Время от времени ко мне на почту приходят письма начинающих радиолюбителей с простым и весьма внятным вопросом: а почему, собственно, в компактных УКВ радиостанциях типа "воки-токи" не используется самый дальнобойный вид модуляции – SSB, или хотя бы её упрощённый вариант – DSB.

По поводу DSB отвечу сразу – невозможно на DSB-приёмник (коими являются простые приёмники прямого преобразования) разборчиво принять сигнал DSB-передатчика, так как здесь требуется жёсткая фазовая синхронизация гетеродинов на приёмной и передающей стороне. Наверное есть возможность каким-то образом восстановить в приёмнике несущую гетеродина передатчика, однако дело это не простое и в данном случае нецелесообразное.
Кстати, на полноценный (фильтрованный) SSB приёмник принять передаваемый DSB сигнал можно, также как и SSB сигнал нормально ловится на DSB-приёмник.

Что же касается эффективности разнообразных видов модуляции на УКВ (с точки зрения максимальной дальности связи), то раскрыть эту тему лучше В.Т. Полякова вряд ли кому удастся. Поэтому предлагаю окунуться в незапамятные 70-е годы и выудить оттуда статью, опубликованную в ж. Радио, 1975, №6, стр.17 под авторством вышеупомянутого В. Полякова (RA3AAE).

Виды модуляции при дальней связи на УКВ

Дальняя радиосвязь на УКВ перестает быть редкостью. Сейчас уже достаточно большое число радиолюбителей регулярно проводит связи, используя «аврору», отражение от следов метеоров, различного рода ретрансляторы и т. п. Поэтому постановка вопроса о выборе наиболее эффективного вида модуляции при дальней связи на УКВ представляется вполне современной.

Основным фактором, определяющим возможность установления связи, является отношение сигнал/шум на выходе приемника. Связь возможна лишь в том случае, если это отношение достаточно для разборчивого приема сигналов. Наиболее выгоден с этой точки зрения слуховой прием телеграфных сигналов, возможный уже при отношениях 0,5-1 (от - 6 до 0 дБ). К тому же он допускает сужение полосы приемника до 0,5-1 кГц, несколько улучшающее разборчивость. Дальнейшее сужение нецелесообразно в силу свойств человеческого слуха: на фоне узкополосного шума труднее разбирать сигнал. Например, при полосе 100 Гц требуемое отношение сигнал/шум уже повышается до 2-3 (6-10дБ).

Для удовлетворительного приема речи отношение сигнал/шум должно быть выше, чем при приеме телеграфных сигналов. На Рис. 1 приведен график зависимости разборчивости R речевого сигнала (в процентах и условных баллах шкалы RS) от отношения сигнал/шум на выходе приемника.

Из графика можно увидеть, что для разборчивости сигналов 50% (удовлетворительный при­ём) требуемое отношение равно трем (10 дБ). Поэтому, если сравнивать телеграф и распространённую однополосную модуляцию, то окажется, что при равной мощности передатчиков даль­ность связи телеграфом будет выше. И, наоборот, при одинаковой дальности связи требуемая мощность SSB передатчика окажется в 10-40 раз (на 10-16 дБ) выше.

Однако SSB можно приблизить по эффективности к телеграфу, если применить сжатие динамического диапазона речевых сигналов, дающее выигрыш до 10 раз по мощности.

Телеграфные и SSB приемники (со смесительными детекторами) отличает от приемников, рассчитанных на другие виды модуляции, характерная особенность - в их трактах ПЧ и на выходах совпадают отношения сигнал/шум, так как здесь фактически происходит не детектирование, а линейная операция преобразования частоты. При всех остальных видах модуляции имеется пороговое отношение сигнал/шум, при работе ниже которого в детекторе приемника сигнал подавляется шумом.

Это видно из графиков (Рис. 2), на которых показаны зависимости, связывающие отношения сигнал/шум на входе и выходе детектора для разных видов модуляции. По горизонтали отложено отношение пиковой мощнос­ти сигнала к мощности шума о полосе 3 кГц на входе. Предполагается, что для AM и узкополосной ЧМ с индексом m=1 (девиация ±3 кГц) полоса ПЧ тракта приемника равна 6 кГц, а для широкополосной ЧМ с m=5 (девиация ±15 кГц) - 30 кГц.

Порог (перегиб на графике) для AM и узкополосной ЧМ наблюдается при отношении сигнал/шум на входе детектора 5-7 дБ, для широкополосной ЧМ - значительно раньше. Поэтому, если сравнить AM, узкополосную и широкополосную ЧМ, можно заключить, что узкополосная ЧМ обеспечивает существенно лучшее отношение сигнал/шум на выходе приемника, а следовательно, и большую дальность связи. При работе с такой ЧМ выше порога достигается даже несколько лучшее отношение по сравнению с телеграфом и SSB.

Поскольку этот вид модуляции пока относительно мало распространен среди радиолюбителей, на нем стоит остановиться подробнее. ЧМ передатчик конструктивно проще SSB передатчика, не требует для модуляции (как при AM) больших мощностей речевого сигнала. Его выходная мощность постоянна и равна пиковой, поэтому сконструировать и наладить такой передатчик (особенно транзисторный) значительно проще. Перекрестные и импульсные помехи сказываются здесь значительно меньше. чем при AM, поскольку детектор не реагирует на изменения амплитуды сигнала. ЧМ передатчики создают меньше помех, в частности, помех телевидению.

Если в модуляторе ЧМ передатчика обеспечить равномерный подъем высоких частот (примерно 6 дБ на октаву), а в усилителе НЧ приемника наоборот, ослабить высокие частоты, выигрыш от коррекции (при работе выше порога) может достигать 10 дБ. Сжатие динамического диапазона так же эффективно, как и при других видах модуляции - оно увеличивает среднюю девиацию частоты и предотвращает перемодуляцию.

Следует отметить, однако, что все перечисленные достоинства проявляются только при использовании специального частотного детектора (дискриминатора с ограничителем или детектора отношении) в приемнике. Если же детектор реагирует на амплитудную модуляцию, то узкополосная ЧМ примерно эквивалентна AM.

Подводя итог сказанному, можно заключить, что наиболее "дальнобойным" является телеграфный режим работы при слуховом приеме. На втором месте по достижимой дальности связи стоит SSB, к этому виду модуляции приближается узкополосная ЧМ. Наименее выгодны для дальней связи AM и широкополосная ЧМ.

В. Поляков (RA3AAE)