Konspekt_TR_RO

ЧД: 1 - рез н ; 2 - рез н .

Недостаток:

- детекторная характеристика имеет значительную нелинейность (т.к. одиночный колебательный контур имеет незначительный линейный участок резонансной характеристики), т.е. характерны значительные несимметричные нелинейные искажения исходного сигнала.

Уменьшения нелинейных искажений добиваются уменьшением добротности контура или применением более сложных схем детекторов.

Рисунок 10.11 – Принципиальная схема ЧД с двумя расстроенными контурами.

Такой ЧД представляет собой два ЧД с одиночными контурами, расстроенных симметрично относительно несущей частоты входного сигнала. L1C1 -контур первого ЧД настроен на частоту рез1 н , а L2C2 -контур – на частоту рез 2 н .

Впроцессе работы ЧД можно выделить три основных случая:

-частота детектируемого сигнала равна несущей частоте н . В этом случае ампли-

туды напряжений на контурах одинаковы U mк1 U mк 2 , при этом токи через диоды также равны i1 i2 и создают на резисторах Rн1 и Rн2 одинаковые напряжения uвых1 uвых 2 , а т.к. токи имеют встречное направление, то напряжение на выходе детектора, равно

131

Рисунок 10.12 – Резонансные кривые расстроенных контуров.

Детекторная характеристика рассмотренного ЧД представлена на рисунке 10.13.

Рисунок 10.13 - Детекторная характеристика рассмотренного ЧД : 1 – частоты настройки первого и второго контуров: рез1 н и рез2 н ; 2 – частоты настройки

первого и второго контуров: рез1 н и рез2 н .

Достоинства:

-детекторная характеристика имеет значительный линейный участок, благодаря чему детектирование происходит без искажений.

Недостаток:

-сложность в изготовлении и настройке.

Когерентное детектирование фазомодулированных сигналов

Фазовый детектор (ФД) – устройство, в котором входной ФМ сигнал преобразуется в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции фазы.

Все ФД являются когерентными (требуют обязательного наличия синхронного с частотой сигнала опорного колебания), т.к. выявить фазовый сдвиг в ФМ сигнале можно только путем его сравнения с немодулированным колебанием (опорным). Начальные фазы ФМ сигнала и опорного колебания в общем случае могут и не совпадать. Структурная схема ФД аналогична схеме СД.

Однотактный диодный ФД

Представляет собой обычный диодный АД, на который подается сумма напряжений опорного колебания и сигнала.

132

Рисунок 10.14 – Принципиальная схема однотактного диодного ФД.

Пусть uг U mг cos н t - опорное напряжение, sФМ Um cos( нt (t)) - детектируемое напряжение, тогда напряжение на диоде: uд uг sФМ .

Проведем векторное сложение двух напряжений u г и sФМ .

Рисунок 10.15 – Векторная диаграмма.

В результате получаем суммарное напряжение uд той же частоты, но другой фа-

зы. Его амплитуда зависит от фазы входного напряжения (т.е. происходит преобразование ФМ в АМ):

U mд U mг 2 U m 2 2U mгU m cos .

Полученный АМ сигнал детектируется АД. Выходное напряжение ФД:

uвых KдUmд ,

где К д - коэффициент передачи АД.

Детекторная характеристика ФД – зависимость его выходного напряжения U 0вых от разности фаз входного и опорного сигнала .

Детекторная характеристика рассмотренного ФД показана на рисунке 10.16 (кривая 1).

133

Рисунок 10.16 – Детекторные характеристики ФД: 1 – однотактного; 2 – балансного.

Выводы:

- характеристика имеет малый линейный участок вблизи углов детектирование сопровождается значительными искажениями; - выходное напряжение не меняет знака при изменениях фазы.

Балансный диодный ФД

Представляет собой два встречно включенных АД, на которые подаются сумма и разность напряжений опорного колебания и сигнала.

Рисунок 10.17 – Принципиальная схема балансного диодного ФД.

При выбранной полярности напряжений u г и sФМ напряжения на диодах:

uд1 uг 0,5sФМ , uд1 uг 0,5sФМ .

Рисунок 10.18 – Векторная диаграмма.

134

Пользуясь векторной диаграммой, можно определить амплитуды напряжений на диодах:

U mд1 U mг 2 U m 2 2U mгU m cos ,

U mд2 U mг 2 U m 2 2U mгU m cos .

Токи i1 и i2 образуют выходные напряжения плеч противоположной полярности:

uвых1 KдUmд1 ,

uвых 2 K дU mд2 .

Поэтому выходное напряжение равно их разности:

uвых uвых1 uвых2 .

Детекторная жарактеристика рассмотренного ФД показана на рисунке 23.3 (кривая 2).

Выводы:

- наилучшую линейность характеристика имеет вблизи углов (2n 1)900 , при работе на этих участках детектирование осуществляется практически без искажений;

-знак выходного напряжения меняется при изменении фазы;

-крутизна характеристики балансного ФД в два раза больше крутизны характеристики однотактного ФД.

Детектирование манипулированных сигналов

При приеме непрерывных и дискретных первичных сигналов возникают различные задачи приема. В первом случае это задача восстановления сигналов (получение принятого первичного сигнала, наименее отличающегося от переданного), во втором - задача обнаружения сигналов (получение ответа на вопрос, имеется на входе приемника сигнал или нет) или их различения (получение ответа на вопрос, какой из образцов сигналов s1 , s2 , … или sm имеется на входе).

В приемнике (демодуляторе) дискретных сигналов производится обработка, детектирование, анализ сигналов и принятие решения о переданном сигнале.

Обработка состоит в таком преобразовании сигналов, чтобы они имели максимальное отличие от помех и друг от друга. Как правило, сводится к тем или иным методам фильтрации.

Детектирование – операция выделения информационного параметра переносчика. Для детектирования манипулированных сигналов могут быть использованы ранее рассмотренные детекторы. Допустимость искажения формы детектированных сигналов (ее восстанавливать необязательно, т.к. она известна) позволяет снизить требования к линейности детекторной характеристики. В некоторых случаях детектор может и вовсе отсутствовать.

Анализ параметров приходящих сигналов и принятие решения о переданном сигнале по их различию происходит в решающем устройстве. Для двоичных сигналов это обычно сравнивающее устройство.

Даже идеально проведенное детектирование еще не означает, что будет обеспечена хорошая демодуляция дискретных сигналов. Поэтому нецелесообразно отдельно рассматривать особенности детектирования манипулированных сигналов. Работу де-

135

модулятора нужно рассматривать в целом, что реализовано в теории помехоустойчивости приема.

Оптимальный прием сигналов

Сущность оптимального приема состоит в том, чтобы для выделения переданного сигнала использовать такие преобразования принимаемого колебания на выходе канала передачи, при которых обеспечивается наибольшая помехоустойчивость. Совокупность таких преобразований называют алгоритмом оптимального приема данного сигнала при передаче его по данному каналу.

Вцифровых системах связи, как правило, применяется поэлементный прием. Поэлементный (посимвольный) прием – способ приема, при котором решение о переданном сигнале принимается отдельно для каждого сигнала, независимо от принятого ранее.

Втеории приема сигналов пользуются различными критериями оптимальности. Критерий оптимальности приема – признак, на основании которого производится оценка обработки принятого сигнала как наилучшая. Его выбор зависит от условий работы.

При передаче дискретных сигналов широко используется критерий идеального наблюдателя (критерий котельникова). Согласно ему тот приемник считается оптимальным, который обеспечивает минимум полной вероятности ошибки. Записывается

ввиде:

min Pош .

Полная вероятность ошибки Pош вычисляется как математическое ожидание вероятности ошибки каждого из первичных сигналов Pош (ui ) :

m

Рош М [Pош (ui )] P(ui )Pош (ui ) ,

i 1

где P(ui ) - вероятность передачи сигнала ui ;

m - общее число первичных сигналов.

На практике наиболее часто встречается случай передачи двоичных первичных сигналов сигналами, сформированными методами АМн, ЧМн и ФМн, в канале с аддитивным гауссовским шумом.

Аддитивная помеха – помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Гауссовский шум представляет собой стационарный эргодический случайный процесс с гауссовским (нормальным) распределением вероятности.

Таблица 10.1 – Алгоритмы оптимального приема при аддитивном гауссовском шуме.

136

Использованные в таблице обозначения:

u1 ,u2 - двоичные первичные сигналы, соответствующие символам «1» и «0»;

s1 (t), s2 (t) - модулированные сигналы длительности ts с различными амплитудами (при АМн), частотами (при ЧМн) или фазами (при ФМн);

Ws 0ts s12 (t)dt - энергия сигнала s1 (t) ;

z(t) si (t) n(t) - принятая сумма сигнала и помехи.

Приведенные алгоритмы можно реализовать двумя способами: на основе корреляторов, на основе согласованных фильтров.

Коррелятор (активный фильтр) – устройство, состоящее из трех блоков: перемножителя, генератора и интегратора - и используемое для вычисления скалярного

ts

произведения сигналов z(t)si (t)dt . Используется в случае, когда сигналы имеют слож-

0

ную форму.

Поэтому приведенные на рисунке 27.1 схемы получили название оптимальных корреляционных приемников.

Рисунок 10.19 – Структурные схемы оптимальных когерентных приемников на корреляторах: а – АМн сигналов; б – ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

Используемые обозначения:

137

- генераторы опорных сигналов s1 (t), s2 (t) , форма которых повторяет форму обнаруживаемых сигналов;- перемножитель;- интегратор;

РУ - решающее устройство.

Схемы приемников сигналов с АМн и ФМн одноканальные (имеют одну ветвь обработки), с ЧМн – двухканальные (имеют две ветви обработки). В РУ результат интегрирования сравнивается с порогом, равным половине энергии сигнала для АМн, и нулевым для ФМн либо результаты интегрирования сравниваются друг с другом для ЧМн. На выходе РУ формируются первичные сигналы в зависимости от знака неравенства.

Для работы генераторов, интеграторов и решающего устройства используются синхронизирующие тактовые импульсы, получаемые от специального устройства. Эти импульсы определяют начало и конец интервала интегрирования и момент вынесения решения о принятом сигнале.

Согласованный фильтр (СФ) – пассивный линейный фильтр с постоянными параметрами и импульсной характеристикой:

hСФ (t) as(t0 t) ,

где a - произвольный коэффициент пропорциональности;

- сигнал длительностью ts , по отношению к которому данный фильтр являет-

ся согласованным;

t0 ts - задержка в фильтре или момент отсчета.

Импульсная характеристика – реакция линейного четырехполюсника на воздействие в виде очень короткого прямоугольного импульса с достаточно большой амплитудой.

Импульсная характеристика согласованного с сигналом фильтра совпадает с зеркальным изображением этого сигнала, сдвинутым в положительном направлении по оси времени на длительность t0 .

Рисунок 10.20 – Сигнал и импульсная характеристика согласованного с ним фильтра при t0 ts .

Форма сигнала на выходе СФ существенно отличается от формы сигнала на входе. Отношение сигнал-помеха на выходе СФ является максимально достижимым для линейных фильтров. СФ обеспечивает максимально возможное мгновенное значение сигнала на выходе в момент отсчета на сигнал, с которым он согласован. Оно численно равно энергии этого сигнала.

138

Рисунок 10.21 – Форма сигналов на входе и выходе СФ.

СФ в схемах приемников заменяют генераторы, перемножители и интеграторы.

Рисунок 10.22 – Структурные схемы оптимальных когерентных приемников на СФ: а – АМн сигналов; б - ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

Некогерентный прием

Применяется в каналах с переменными параметрами (фаза меняется случайно) или при технических трудностях определения фазы с целью упрощения схем. Некогерентный прием нельзя осуществить для сигналов с ФМн, т.к. здесь передаваемая информация заложена в изменении фазы.

Рисунок 10.23 – Структурные схемы оптимальных некогерентных демодуляторов: а – АМн сигналов; б – ЧМн сигналов.

139

Решение в РУ о передаваемом сигнале принимается по значениям огибающей, для выделения которой в схему приемников после цепей обработки (СФ) включается амплитудный детектор АД.

Неоптимальный прием

На практике во многих случаях применяют более простые и надежные неоптимальные варианты приемного устройства ценой некоторой потери помехоустойчивости.

Структурная схема демодуляторов АМн и ЧМн сигналов в этом случае аналогична структурным схемам оптимальных некогерентных демодуляторов, но вместо СФ здесь применяют полосовые фильтры (ПФ) до детектора и манипуляционный ФНЧ после детектора.

ПФ додетекторной обработки ограничивает мощность помех на входе детектора. В зависимости от полярности напряжения на выходе ФНЧ в решающем устройстве РУ формируются выходные сигналы u1 или u 2 .

При ФМн обязательно используется когерентный прием.

Рисунок 10.24 – Структурная схема неоптимального когерентного приемника ФМн сигналов.

ФД выполняет роль перемножителя, ФНЧ – интегратора. Опорный генератор G системой ФАПЧ подстраивается так, чтобы частота и фаза его колебаний совпадала с частотой и фазой одного из сигналов (например, s1 (t) ).

Приведенный приемник обладает существенным недостатком: использование для фазовой синхронизации принимаемого сигнала z(t) приводит к ОБРАТНОЙ РАБОТЕ

(выходной сигнал u1 заменяется на u 2 и наоборот). Обратная работа возникает, когда фаза колебаний генератора меняется на противоположную случайным образом в результате воздействия помех в канале.

Этот недостаток устранен в системах с ОФМн. Наибольшее распространение получили два метода приема ОФМн сигналов: метод сравнения фаз и метод сравнения полярностей (когерентный прием).

140