Выбор вида импульсной модуляции для построения систем передачи с временным разделением каналов

Выбор вида импульсной модуляции определяет качество функ­ционирования многоканальных систем передачи, для оценки которой используются различные критерии (критерий помехоустойчивости, критерий использования пропускной способности и критерий эффек­тивности). Интегральным показателем качества является критерий помехоустойчивости. Именно помехоустойчивость определяет про­пускную способность и эффективность, под которой понимается величина удельной минимальной энергии сигнала, приходящейся на одну двоичную единицу информации. Поэтому выбор вида импульс­ной модуляции осуществим на основе сравнения помехоустойчиво­сти при приеме АИМ, ШИМ и ФИМ сигналов.

Для оценки помехоустойчивости различных видов импульсной модуляции сделаем следующие допущения:

на вход приемного устройства СП с ВРК поступает групповой

сигнал представляющий совокупность канальных сигналов S(t) и помехи n(t)

= S(t) + n(t); (37)

основным видом помех является белый шум с энергетическим спектром G (f) = g_o =const и со средней мощностью ,

максимальное значение полезного сигнала на входе приемного устройства СП с ВРК равно А_макс, которое под воздействием помехи изменяется в определенных пределах;

на выходах фильтров нижних частот (ФНЧ) каналов получаются первичные сигналы , представляющие полезные сигналы и преобразованную помеху т.е.

=c(t) + e(t). (38)

Помехоустойчивость амплитудно-импульсной модуляции.

Упрощенная схема приемного устройства СП с ВРК на основе амплитудно-импульсной модуляции приведена на рис. 10, где при­няты следующие обозначения: КС - канальный селектор и ФНЧ -фильтр нижних частот.

Под помехоустойчивостью при приеме АИМ сигналов будем по­нимать отношение

(39)

где И/_с - мощность полезного сигнала на выходе ФНЧ с полосой пропускания ; W_n - мощность помехи на выходе ФНЧ.

При наложении шума (помехи) на непрерывный сигнал с ампли­тудой А_макс мощность шума равнялась бы просто . В импульсном режиме, когда внутри каждого цикла (периода дискретизации) дли­тельностью помеха действует лишь в течение времени (дли­тельности канального импульса), мощность помехи, усредненная по всему периоду , будет равна

(40)

и, следовательно, энергетический спектр помехи на выходе каналь­ного селектора (см. рис. 10),

(41)

На выходе ФНЧ, осуществляющего демодуляцию АИМ сигнала, мощность помехи определится выражением

(42)

Амплитуда полезного сигнала в спектре АИМ сигнала на выходе ФНЧ, как следует из (9), с учетом принятых выше обозначений (), равняется

(43)

а его мощность

(44)

Подставив (44) и (43) в (40), получим

(45)

здесь - скважность импульсов канального АИМ сигнала.

Обычно для АИМ m_a = 1 и, следовательно, максимальное значе­ние помехозащищенности АИМ сигналов не превышает значения

(46)

Увеличение помехозащищенности АИМ сигналов, при сохране­нии заданного числа каналов N = q, возможно увеличением ампли­туды импульсов, но это приводит к снижению эффективности сис­темы передачи.

Помехоустойчивость широтно-импульсной и фазоимпульсной модуляций. Упрощенная схема приемного устройства и демодуляции ШИМ и ФИМ сигналов приведена на рис. 11, а, б.

Особенностью приема ШИМ и ФИМ сигналов является использо­вание с целью повышения помехоустойчивости ограничителей амплитуд (ОА), включаемых на входе приемного устройства. Принятые обозначения на этих рисунках аналогичны обозначениям на рис. 10.

Из-за особенностей спектрального состава ФИМ сигналов (про­порциональной зависимости амплитуд полезного сигнала от его частоты), их демодуляция осуществляется двумя ступенями: на первой ступени ФИМ сигнала преобразуется в ШИМ или ФИМ сиг­нал и затем с помощью ФНЧ осуществляется выделение полезного (первичного)сигнала.

При ШИМ и ФИМ действие помехи проявляется в изменении длительности импульсов и их сдвиге на оси времени относительно их значений в отсутствие помех. Пусть в отсутствие помехи импульс, поступающий на ограничитель амплитуд (ОА) (рис. 11), зани­мает положение, обозначенное на рис. 12 сплошной линией. Здесь А_макс - амплитуда импульса, неискаженная помехой; - длитель­ность переднего (заднего) фронта импульса; U_osp = А_макс/2 - значе­ние порога ограничения ОА. Отношение вида 5_Ф = А_макс / называ­ется крутизной фронта импульса.

Как следует из рис. 12, под воздействием помехи будет изме­няться амплитуда импульса на входе ОА, а, следовательно, и его передний фронт, показанный на рис. 12 пунктирной линией. Изме­нение положения фронтов импульсов приводит к изменению дли­тельности импульсов на уровне ограничения, что в процессе демо­дуляции ШИМ сигналов приводит к возникновению помех, с другой стороны изменение положения переднего фронта импульса приво­дит к появлению помех при демодуляции ФИМ сигналов. Величина этих помех пропорциональна смещению фронтов импульсов под действием помех. Это смещение зависит от величины изменения амплитуды на входе ограничителя амплитуд (см. рис. 12). При­ращение амплитуды импульса зависит от соотношения фаз сигнала и помехи. Если амплитуда импульса равна А_макс, а ампли­туда помехи A_n(t), то результирующая амплитуда импульса на входе ограничителя амплитуд (ОА) будет равна

,

где - фазовый угол между напряжением сигнала и помехи= A_n(t) cos- - приращение амплитуды сигнала на входе ОА под исходный (модулирующий) сигнал с амплитудой

(34)

гармоники тактовой частоты ПППИ (частоты дискретизации ), амплитуды которых равны

(35)

нижние и верхние боковые частоты [четвертое слагаемое (33)] вида с амплитудами

(36)

Если модулирующий сигнал занимает полосу частот то нижняя боковая полоса частот около первой гармоники частоты дис­кретизации попадает в полосу частот исходного сигнала [см. (26)].

Как следует из выражения (34) величина амплитуды исходного сигнала в спектре ФИМ сигнала прямо пропорциональна частоте исходного сигнала, что затрудняет демодуляцию ФИМ с помощью фильтра нижних частот, затухание которого в полосе эффективного пропускания должно изменяться по определенному закону, обеспе­чивающему безыскаженное восстановление исходного сигнала (реализация такого фильтра вызывает технические трудности).

В спектре ФИМ сигнала амплитуды исходного сигнала значи­тельно (на два-три порядка) меньше, чем при АИМ или ШИМ. По­этому в СП с ВРК на основе фазоимпульсной модуляции принятый канальный сигнал s(t) преобразуют в последовательность импуль­сов с АИМ или ШИМ, из которой при помощи обычного фильтра нижних частот выделяют исходный сигнал. Преобразование ФИМ в ШИМ сопровождается меньшими искажениями по сравнению с преобразованием ФИМ в АИМ. Кроме того, при преобразовании ФИМ в ШИМ демодулятор оказывается несколько более устойчи­вым по отношению к внешним импульсным помехам. Поэтому на практике чаще применяется демодуляция ФИМ предварительным преобразованием ее в ШИМ.

Для устранения вредного воздействия помех в приемных устрой­ствах систем передачи с ФИМ (как и с ШИМ) применяются ограни­чители амплитуд.

Фазоимпульсная модуляция широко применяется в радиотеле­метрических системах высокой точности и несколько меньше в многоканальных системах радиосвязи.