Лекции по сетям ЭВМ / Лекция 07

9

Основы теории систем связи с подвижными объектами

И.М. Орощук

2 часа

Лекция 3: Способы передачи информации по

каналам связи

План занятия:

Время	№ п/п	Содержание раскрываемого вопроса:
40 мин.	1	Аналоговые способы передачи информации
45 мин.	2	Цифровые способы передачи информации

3.1. Аналоговые способы передачи информации

В современных системах связи и радиовещания с момента их создания до сегодняшних дней широко используются аналоговые способы передачи информации, основанные на известных видах модуляции: двухполосная и однополосная амплитудная модуляция и частотная.

Амплитудные виды модуляции получили широкое применение в системах радиовещания длинноволнового, средневолнового и коротковолнового диапазонов. Их применение обоснованно сравнительной простой реализации модуляторов радиопередающих устройств и, соответственно детекторов радиоприемных устройств. В этом случае не требуется каких-либо дополнительных устройств обработки – сигнал после детектирования сразу же после требуемого усиления подается на оконечные устройства (рис. 3.1). Кроме того, такой вид модуляции наиболее узкополосен, что актуально для вышеперечисленных диапазонов, так как используемые в этом случае несущие частоты соизмеримы со спектром первичного сигнала, равного 0,3 – 3,4 кГц (соответствует III классу качества радиовещания).

В системах связи чаще используется однополосные виды модуляции (наибольшее применение они получили в коротковолновом диапазоне). Такой вариант повышает помехоустойчивость радиоканала, так как в этом случае вся энергия радиопередатчика сосредотачивается в одной полосе амплитудно-модулированного сигнала. То есть по сравнению с двухполосной модуляцией спектральная плотность сигнала более чем в два раза повысится (рис. 3.2), так как кроме энергии другой полосы добавляется, энергия расходуемая на несущую частоту.

Рис. 3.3. Спектр амплитудно-модулированного сигнала

Известно, что при используемых индексах модуляции энергия передатчика распределяется следующим образом.

, (3.1.1)

где - средняя мощность амплитудно-модулированного сигнала;

– мощность, расходуемая на несущую частоту;

и - мощности боковых полос;

- индекс амплитудной модуляции.

Из данного выражения следует, что мощность, приходящаяся на полезную информацию, равна . Откуда легко получить энергетический выигрыш при использовании однополосной модуляции:

. (3.1.2)

То есть минимальный выигрыш при будет равен 3, а при типовых значениях – выигрыш равен 5.

Известно также, что помехоустойчивость системы связи пропорциональна отношению мощностей сигнал-шум, в связи с чем переход к однополосной модуляции дает дополнительный выигрыш за счет двойного сужения полосы. Мощность шума пропорциональна полосе приемного тракта:

, (3.1.3)

где – спектральная мощность шума; – полоса тракта приемника сигналов.

Соответственно, выигрыш по помехоустойчивости

. (3.1.4)

Таким образом, переход на однополосную модуляцию дает большой выигрыш в помехоустойчивости (до 6  10). При этом следует заметить, что такой вид модуляции используется в основном в профессиональных системах связи, так как для передачи и приема таких сигналов требуются достаточно сложные технические устройства, обладающие, кроме того, высокой стабильностью собственных генераторов, от которой зависит качество приема однополосных сигналов. Для устойчивой работы приемников ОБП в спектре сигнала дополнительно передается подавленная несущая, служащая для синхронизации местного генератора несущей частоты приемника. При использовании ОБП в каналах с быстро движущимися объектами (самолетами) для лучшего восстановления несущей, а также для работы АПЧ приемника требуется более высокий уровень несущей до 70%. Следует заметить, что дополнительное излучение несущей частоты снижает энергетическую эффективность однополосной модуляции.

Частотная модуляция получила наибольшее применение в УКВ диапазоне, так как спектр сигнала при этом занимает более широкую полосу сигнала.

Высокие частоты диапазона позволяют передавать широкополосные сигналы, что дает возможность расширить спектр первичного сигнала, тем самым улучшить качество вещания и пропускную способность системы связи.

Кроме того, при использовании частотной модуляции требуется более широкая полоса по сравнению с амплитудной. Теоретически считается, что спектр ЧМ сигнала бесконечен, но на практике рассматривается только основная доля энергии. Приближенно спектр ЧМ сигнала при больших индексах модуляции равен

, (3.1.5)

где – девиация частоты;

– индекс частотной модуляции; – верхняя частота спектра первичного сигнала.

Как видно из выражения (3.1.5) спектр частотно-модулированного сигнала совпадает со спектром амплитудно-модулированного сигнала при индексе модуляции, равном единице. Однако такой режим используется редко, так как только при больших значениях индекса модуляции происходит выигрыш отношения сигнал/шум на выходе ЧМ детектора:

, (3.1.6)

где – отношение сигнал/шум на входе приемника.

Данное выражение справедливо при больших значениях индекса модуляции (). Особенность частотной модуляции такова, что линейная зависимость выигрыша, см. формулу (3.1.6), выполняется только до определенных уровней сигнала на входе приемника. При малых значениях выигрыш снижается за счет увеличения спектральной плотности шума, причем уже по нелинейному закону (рис. 3.3).

Точки порога чувствительности

Рис. 3.3. Пороговые кривые приемника ЧМ сигналов

Как видно из рис. 3.3 при переходе на границу нелинейности происходит резкое снижение отношения сигнал/шум на выходе приемника (т.е. выигрыш резко снижается), поэтому в реальных системах связи и вещания используется только линейный участок (см. рис. 3.3).

Границы перехода в нелинейный участок определяют порог помехоустойчивости. Для определения этого порога чаще всего принято использовать «точку порога» , где отношение сигнал/шум на выходе приемника на 1 дБ ниже значения рассчитанного по формуле (3.1.6).

В связи с выше перечисленными достоинствами частотная модуляция нашла наиболее широкое применение в аналоговых видах модуляции. Она используется для высококачественного вещания, телевидения, в РРЛ и в ССС.

3.2. Цифровые способы передачи сигналов

В последние годы с освоением технологий создания качественных аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей широко стали создаваться и использоваться системы связи основанные на цифровых способах передачи. В этой связи наряду с передачей данных представленных в цифровой форме изначально, в этих системах передаются любые аналоговые сигналы в цифровой форме. Это значительно повышает помехоустойчивость систем связи и вещания, и позволяет унифицировать техническое оборудование.

Однако следует заметить, что цифровые системы связи обладают большей сложностью, так как при этом после детектирования сигнала требуются сложные схемы синхронизации (рис. 3.4), от устойчивой работы которых зависит качество работы регистрирующего устройства. Кроме того, необходимы преобразователи АЦП и ЦАП, от которых также зависит качество работы всего канала связи.

В цифровых системах связи могут использоваться все виды манипуляции: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ). Наиболее широкое применение, в силу большей помехоустойчивости, получили частотная и фазовая манипуляции.

С цифровых системах связи в качестве меры повышения помехоустойчивости используют битовую вероятность ошибки приема сигнала, определяемую для каналов с постоянными параметрами и гауссовским шумом в общем виде выражением:

, (3.2.1)

где – интеграл вероятности; ; – используемая для передачи группа сигналов.

Из выражения (3.2.1) нетрудно определить помехоустойчивость различных видов манипуляций.

Для амплитудной манипуляции используется следующая группа сигналов (рис. 3.5):

. (3.2.2)

Рис. 3.5. Векторная диаграмма амплитудной манипуляции

Подставив значения (3.2.2) в формулу (3.2.1) получим выражение, определяющее помехоустойчивость амплитудной манипуляции:

, (3.2.3)

где – энергия сигнала .

При частотной манипуляции используются сигналы (рис. 3.6):

. (3.2.4)

Рис. 3.6. Векторная диаграмма частотной манипуляции

В этом случае

.

Откуда можно записать:

.

В результате аналогичных преобразований этих сигналов получим выражение для помехоустойчивости при ЧМ, причем наибольшее ее значение достигается при равенстве амплитуд и начальных фаз сигналов при с разносом . В этом случае , однако по ряду причин, связанных с обработкой сигналов в примнике, на практике используются ортогональные сигналы, чему соответствует девиация частоты, равная – , где k – целое число (см. рис. 3.6). Такая помехоустойчивость будет определяться выражением

. (3.2.5)

Для фазовой манипуляции используются сигналы (рис. 3.7):

. (3.2.6)

Рис. 3.7. Векторная диаграмма фазовой манипуляции

В результате их подстановки в формулу (3.2.1) получим выражение помехоустойчивости фазовой манипуляции:

. (3.2.7)

Следует заметить, что технически реализовать фазовую манипуляцию сложно, из-за трудностей восстановления несущей частоты с точностью до фазы. На практике получило широкое применение изобретение Петровича – относительная фазовая манипуляция. В этом случае помехоустойчивость из-за накопления ошибки снижается и определяется выражением

. (3.2.8)

при

. (3.2.9)

Из полученных выражений помехоустойчивости видно, что наибольшая помехоустойчивость в каналах с постоянными параметрами (например, в УКВ) достигается при фазовой манипуляции, а наименьшая при амплитудной манипуляции. Частотная манипуляция занимает промежуточное значение.

Лекция: (2 часа) «Способы передачи информации по каналам вещания, РРЛ и ССС»