Линейная частотная модуляция CW сигнала.

В этой статье речь пойдёт об увеличении эффективности CW модуляции с использованием цифровой обработки сигнал

Суть метода заключается в линейной частотной модуляции в пределах каждой посылки и согласованной фильтрации на приёмной стороне. Для предметного рассмотрения вопроса возьмём конкретный пример построения линейно частотно модулированной телеграфной посылки и сравним с традиционным телегафом.

Возьмём слово “TEST” и распишем посылку во времени.

Рис.1          TEST3

Каждый сигнал, изображённый на рисунках, можно послушать, если выбрать ссылку под рисунком.

Из рисунка 1 видно что при посылке “TEST” больше половины времени занимают паузы, т.е. меньше 50% мощности используется для передачи сообщения (возьмём этот факт на заметку).

Теперь рассмотрим процесс фильтрации сигнала при приёме, для анализа возьмём  автокорреляционный метод фильтрации как оптимальный.  За образец автокорреляционной функции взят элемент посылки “точка”. Вот результат автокорреляционной обработки.

Рис.2          TESTFil.wav

Прямоугольная огибающая “точки” не самая лучшая форма для получения хорошего отклика автокорреляционного фильтра, так как в точке максимума отклик имеет сравнительно не большое превышение по амплитуде по сравнению с исходным сигналом. На практике дело обстоит ещё хуже, так как прямоугольную форму телеграфных посылок приходится преобразовывать в колоколообразную, чтобы ограничить спектр излучаемого сигнала (смотри рис.3 ).

Рис.3          TESTForm.wav

Отклик автокорреляционного фильтра на такой сигнал (как образец используется “точка” с огибающей колоколообразной формой) имеет ещё меньший пик в точке максимума (смотри рис.4)

Рис.4          TESTFormFil.wav

Следует отметить, что подобная фильтрация получается в приёмнике если фильтр имеет максимально гладкую характеристику в полосе пропускания и ширина его соответствует ширине спектра первой гармоники огибающей “точки”, другими словами наиболее узкой для заданной скорости передачи.

 И так, что можно предложить в замен. Для начала посмотрим, как выглядит посылка “TEST” с линейной частотной модуляцией (рис.5).

Рис.5          TESTLFM.wav

На рисунке схематично выделены интервалы соответствующие точкам и тире посылки. Точка формируется таким образом, что линейной частотной модуляцией заполняется интервал длинной в две точки и между точками не остаётся пауз, тире формируется так, что ЛЧМ заполняет интервал длинной в тире плюс точка, соответственно между двумя подряд тире паузы не остаётся, паузы остаются только между буквами и их длинна равна двум точкам. Для слова “TEST” передатчик отдаёт мощность уже 73% времени.

Для автокорреляционного фильтра образцом возьмём точку сформированную описанным выше способом, отклик фильтра показан на рис.6

Рис.6          TESTLFMFil.wav

Такой образец для автокорреляционного фильтра даёт заметно больший пик в максимуме отклика, хотя и смещённый по времени на интервал длинной в точку, но это плата за использование пауз. Отклик на тире имеет размазанный вид, но для приёма на слух трудностей не представляет, так как суммарная мощность в интервале тире достаточно большая. Не на много ухудшаются пики откликов автокорреляционного фильтра и в случае формирования колоколообразных посылок рис.7 и рис.8

Рис.7          TESTLFMForm.wav

Рис.8          TESTLFMFormFil.wav

Теперь рассмотрим полосы спектра, занимаемые обычным CW и CW с ЛЧМ, для большей наглядности построим спектрограммы обоих сигналов рис.9 рис.10

Рис.9

Рис.10

При использовании ЛЧМ в телеграфном сигнале спектр увеличивается в среднем на треть, зависит от амплитуды частотной модуляции. Величина амплитуды ЧМ выбирается исходя из компромисса между тремя факторами. При увеличении амплитуды ЧМ увеличивается пик отклика автокорреляционного фильтра, при одновременном его сужении по времени, однако увеличивается и полоса спектра, занимаемая сигналом CW с ЛЧМ, ещё следует учитывать скорость передачи (автокорреляционный фильтр, как и в случае традиционного CW будет оптимален только для одного значения скорости). В этой статье рассматривается вариант, когда ЧМ в пределах посылки равна 11%, т.е. в начале посылки частота CW равна 800 Гц, а в конце посылки 890 Гц. На спектрограмме на участках соединения точек видно расширение спектра сигнала, которое может быть сведено к минимуму более тщательным подбором фаз и амплитуд в участках между соседствующими точками (тоже потребуется и для тире), этот вопрос, как и другие мелочи, оставим за рамками статьи.

На практике при приёме CW ширину полосы фильтра обычно выбирают с двойным тройным запасом, что комфортнее для оператора и помогает  ориентироваться в эфирной обстановке,  при использовании автокорреляционного фильтра для ЛЧМ эта полоса оказывается  шире автоматически.

Телеграфный сигнал с ЛЧМ легко принимается на слух на обычный фильтр и наоборот обычный CW принимается на фильтр для ЛЧМ телеграфа, что обеспечивает совместимость между этими видами модуляции и возможность оперативного переключения.

На конец рассмотрим спектрограммы для неотфильтрованного (рис.11) ЛЧМ CW и отфильтрованного (рис.12) по описанной выше методике при отношении сигнал/шум -9дб в полосе 600Гц.

Рис.11          CWLFM+QRM.wav

Рис.12          CWLFM+QRM_Fil.wav

На рис.13, 14 такие же спектрограммы с тем же шумом для обычного CW

Рис.13          CW+QRM.wav

Рис.14          CW+QRM_Fil.wav

С помощью цифровой обработки, в частности на компьютере, подобный алгоритм формирования и обработки CW с ЛЧМ не представляет сложностей. Самое главное, что компьютер в этом случае не заменяет оператора при приёме телеграфа, а помогает достичь более высоких результатов приёма.