Osnovni parametri radio signala. Modulacija

§ Jačina signala

§ Specifična energija signala

§ Trajanje signala T određuje vremenski interval tokom kojeg signal postoji (osim nule);

§ Dinamički raspon je omjer najveće trenutne snage signala i najniže:

§ Širina spektra signala F - frekvencijski opseg unutar kojeg je koncentrisana energija glavnog signala;

§ Baza signala je proizvod trajanja signala i širine njegovog spektra. Treba napomenuti da postoji obrnuto proporcionalna veza između širine spektra i trajanja signala: što je spektar kraći, to je duže trajanje signala. Dakle, veličina baze ostaje praktički nepromijenjena;

§ Odnos signal-šum jednak je odnosu korisne snage signala i snage šuma (S/N ili SNR);

§ Obim prenesenih informacija karakteriše propusni opseg komunikacionog kanala potreban za prenos signala. Definira se kao proizvod širine spektra signala i njegovog trajanja i dinamičkog raspona

§ Energetska efikasnost (potencijalna otpornost na buku) karakteriše pouzdanost prenetih podataka kada je signal izložen aditivnom belom Gausovom šumu, pod uslovom da je sekvenca simbola obnovljena idealnim demodulatorom. Određuje se minimalnim odnosom signal-šum (E b /N 0), koji je neophodan za prenos podataka kroz kanal sa verovatnoćom greške koja ne prelazi određenu. Energetska efikasnost određuje minimalnu snagu predajnika potrebnu za prihvatljiv rad. Karakteristika metode modulacije je kriva energetske efikasnosti - zavisnost vjerovatnoće greške idealnog demodulatora od odnosa signal-šum (E b /N 0).

§ Spektralna efikasnost - odnos brzine prenosa podataka i korišćenog opsega radio kanala.

• AMP: 0,83
• NMT: 0,46
• GSM: 1.35

§ Otpornost na uticaje kanala prenosa karakteriše pouzdanost prenetih podataka kada je signal izložen specifičnim distorzijama: bledenju usled višeputnog širenja, ograničenju opsega, frekvencijskom ili vremenski koncentrisanim smetnjama, Doplerovom efektu itd.

§ Zahtjevi za linearnost pojačala. Za pojačavanje signala sa određenim vrstama modulacije mogu se koristiti nelinearni pojačivači klase C, koji mogu značajno smanjiti potrošnju energije predajnika, dok nivo vanpojasnih zračenja ne prelazi dozvoljene granice. Ovaj faktor je posebno važan za sisteme mobilnih komunikacija.

Modulacija(latinski modulatio - pravilnost, ritam) - proces promjene jednog ili više parametara oscilacije visokofrekventnog nosioca prema zakonu niskofrekventnog informacijskog signala (poruke).

Prenesene informacije je ugrađen u upravljački (modulacijski) signal, a ulogu nosioca informacije obavlja visokofrekventna oscilacija, nazvana nosilac. Modulacija je, dakle, proces "sletanja" informacijske oscilacije na poznati nosač.

Kao rezultat modulacije, spektar niskofrekventnog kontrolnog signala se prenosi u visokofrekventno područje. To omogućava da se prilikom organiziranja emitiranja konfiguriše rad svih uređaja za prijem i odašiljanje na različitim frekvencijama tako da se međusobno ne „ometaju“.

Kao nosilac se mogu koristiti oscilacije raznih oblika (pravougaone, trouglaste itd.), ali se najčešće koriste harmonijske oscilacije. U zavisnosti od toga koji se od parametara oscilacije nosioca menja, razlikuje se tip modulacije (amplituda, frekvencija, faza itd.). Modulacija sa diskretnim signalom naziva se digitalna modulacija ili keying.

Predavanje br. 5

T Izdanje br. 2: Prijenos DISKRETNIH poruka

Tema predavanja: DIGITALNI RADIO SIGNALI I NJIHOVI

Uvod u karakteristike

Za sisteme za prenos podataka, zahtev za pouzdanošću prenetih informacija je najvažniji. To zahtijeva logičku kontrolu procesa prijenosa i prijema informacija. Ovo postaje moguće kada se koriste digitalni signali za prijenos informacija u formaliziranom obliku. Takvi signali omogućavaju objedinjavanje baze elemenata i korištenje korektivnih kodova koji osiguravaju značajno povećanje otpornosti na buku.

2.1. Razumijevanje prijenosa diskretnih poruka

Trenutno se za prijenos diskretnih poruka (podataka) obično koriste tzv. digitalni komunikacijski kanali.

Nosioci poruka u digitalni kanali veze izlaze digitalni signali ili radio signale ako se koriste radio komunikacijske linije. Informacijski parametri u takvim signalima su amplituda, frekvencija i faza. Među srodnim parametrima posebno mjesto zauzima faza harmonijske oscilacije. Ako je faza harmonijske oscilacije na prijemnoj strani precizno poznata i koristi se prilikom prijema, onda se smatra da je takav kanal komunikacije koherentan. IN nekoherentan komunikacijski kanal, faza harmonijske oscilacije na prijemnoj strani je nepoznata i smatra se da je raspoređena po uniformnom zakonu u rasponu od 0 do 2  .

Proces pretvaranja diskretnih poruka u digitalne signale prilikom odašiljanja i digitalnih signala u diskretne poruke prilikom prijema objašnjen je na slici 2.1.

Sl.2.1. Proces pretvaranja diskretnih poruka tokom njihovog prenosa

Ovdje se uzima u obzir da osnovne operacije pretvaranja diskretne poruke u digitalni radio signal i nazad odgovaraju generaliziranom strukturni dijagram sistem za prenos diskretnih poruka o kojem je bilo reči u prošlom predavanju (prikazan na sl. 3). Razmotrimo glavne vrste digitalnih radio signala.

2.2. Karakteristike digitalnih radio signala

2.2.1. Radio signali sa amplitudnim pomakom (AMK).

Manipulacija amplitudom (AMn). Analitički izraz AMn signala za bilo koji trenutak u vremenu t ima oblik:

s AMn (t, )=A 0  (t) cos(  t ) , (2.1)

Gdje A 0 ,   I  - amplituda, ciklička noseća frekvencija i početna faza AMn radio signala,  (t) – primarni digitalni signal (parametar diskretne informacije).

Često se koristi drugi oblik notacije:

s 1 (t) = 0 at  = 0,

s 2 (t) =A 0 cos(  t ) at  = 1, 0  t T,(2.2)

koji se koristi kada se analiziraju AMN signali u vremenskom periodu jednakom jednom taktnom intervalu T. Jer s(t) = 0 at  = 0, tada se AMn signal često naziva signalom sa pasivnom pauzom. Implementacija AMS radio signala je prikazana na slici 2.2.

Sl.2.2. Implementacija AMS radio signala

Spektralna gustina AMS signala ima kontinuiranu i diskretnu komponentu na frekvenciji nosioca   . Kontinuirana komponenta predstavlja spektralnu gustinu prenošenog digitalnog signala  (t), prebačen u područje frekvencije nosioca. Treba napomenuti da se diskretna komponenta spektralne gustoće javlja samo kada je početna faza signala konstantna  . U praksi, po pravilu, ovaj uslov nije ispunjen, jer se kao rezultat različitih destabilizujućih faktora početna faza signala nasumično mijenja u vremenu, tj. je slučajan proces  (t) i ravnomjerno je raspoređen u intervalu [-  ;  ]. Prisustvo takvih faznih fluktuacija dovodi do „zamućenja“ diskretne komponente. Ova karakteristika je tipična i za druge vrste manipulacije. Slika 2.3 prikazuje spektralnu gustinu AMn radio signala.

Sl.2.3. Spektralna gustina AMn radio signala sa nasumičnim, ujednačenim

raspoređeno u intervalu [-  ;  ] početna faza 

Prosječna snaga AMn radio signala je jednaka
. Ova snaga je podjednako raspoređena između kontinuiranih i diskretnih komponenti spektralne gustine. Posljedično, u AMS radio signalu, kontinuirana komponenta zbog prijenosa korisnih informacija čini samo polovinu snage koju emituje predajnik.

Za generiranje AMS radio signala obično se koristi uređaj koji omogućava promjenu amplitudnog nivoa radio signala prema zakonu odašiljenog primarnog digitalnog signala  (t) (na primjer, amplitudni modulator).

Na osnovu principa razmjene informacija, postoje tri vrste radio komunikacija:

Simpleks radio komunikacija;

dupleks radio komunikacija;

poludupleks radio komunikacija.

Na osnovu vrste opreme koja se koristi u radio komunikacijskom kanalu, razlikuju se sljedeće vrste radio komunikacija:

telefon;

telegraf;

prijenos podataka;

faksimil;

televizija;

radio emitovanje.

Na osnovu vrste radio komunikacijskih kanala koji se koriste razlikuju se sljedeće vrste radio komunikacija:

površinski val;

troposferski;

ionosferski;

meteorski;

prostor;

radio relej.

Vrste dokumentovanih radio komunikacija:

telegrafska komunikacija;

prijenos podataka;

faks komunikacija.

Telegrafska komunikacija - za prenošenje poruka u obliku alfanumeričkog teksta.

Prijenos podataka za razmjenu formaliziranih informacija između osobe i računara ili između računara.

Faksimilna komunikacija za prijenos nepokretnih slika električnim signalima.

1 – Teleks – za razmjenu pisane korespondencije između organizacija i institucija na pisaćim mašinama sa elektronskom memorijom;

2 – Tele (video) tekst – za prijem informacija sa računara na monitore;

3 – Tele (biro) faks – faks mašine se koriste za prijem (bilo od korisnika ili od preduzeća).

Sljedeće vrste radio komunikacijskih signala se široko koriste u radio mrežama:

A1 - AT sa manipulacijom kontinuiranih oscilacija;

A2 - manipulacija tonski moduliranim oscilacijama

ADS - A1 (B1) - OM sa 50% nosioca

AZA - A1 (B1) - OM sa 10% nosača

AZU1 - A1 (Bl) - OM bez nosača

3. Osobine širenja radio talasa različitih opsega.

Širenje radio talasa u mirijametarskom, kilometarskom i hektometarskom opsegu.

Za procjenu prirode širenja radio valova određenog opsega potrebno je poznavati električna svojstva materijalnog medija u kojem se radio talas širi, tj. znati i ε A zemlje i atmosfere.

Ukupni važeći zakon u diferencijalnoj formi to kaže

one. Promjena fluksa magnetske indukcije tokom vremena uzrokuje pojavu struje provodljivosti i struje pomaka.

Zapišimo ovu jednačinu uzimajući u obzir svojstva materijalnog okruženja:

λ < 4 м - диэлектрик

4 m< λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 m – provodnik

morska voda:

λ < 3 м - диэлектрик

3 cm< λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 m – provodnik

Za mirijametarski talas (SVD):

λ = 10 ÷ 100 km f = 3 ÷ 30 kHz

i kilometar (DV):

λ = 10 ÷ 1 km f = 30 ÷ 300 kHz

rasponima, zemljina površina se po svojim električnim parametrima približava idealnom provodniku, a jonosfera ima najveću provodljivost i najmanju dielektričnu konstantu, tj. blizu provodnika.

RV opsezi VLF i LW praktički ne prodiru u zemlju i jonosferu, reflektirajući se od njihove površine i mogu se širiti duž prirodnih radio staza na značajne udaljenosti bez značajnog gubitka energije površinskim i prostornim valovima.

Jer Pošto je talasna dužina VHF opsega srazmerna udaljenosti do donje granice jonosfere, koncept jednostavnog i površinskog talasa gubi smisao.

Smatra se da se proces propagacije RV odvija u sfernom talasovodu:

Unutrašnja strana - zemlja

Vanjska strana (noću - sloj E, danju - sloj D)

Talasovodni proces karakteriziraju beznačajni gubici energije.

Optimalno RV – 25 ÷ 30 km

Kritično RV (jako slabljenje) - 100 km ili više.

Inherentni fenomeni: - bledenje, radio eho.

Fading (fading) kao rezultat interferencije RV vozila koji su putovali različitim putanjama i imaju različite faze na prijemnoj tački.

Ako su površinski i prostorni talasi u antifazi na prijemnoj tački, onda to bledi.

Ako su prostorni talasi u antifazi na prijemnoj tački, onda je to daleko nestajanje.

Radio eho je ponavljanje signala kao rezultat uzastopnog prijema talasa koji se reflektuju od jonosfere različit broj puta (blizu radio eho) ili koji stižu do tačke prijema bez i nakon kruženja oko globusa (daleki radio eho).

Zemljina površina ima stabilna svojstva, a mjesta na kojima se mjere jonosferski uslovi jonosfere malo utiču na propagaciju RV VLF opsega, tada se količina energije radio signala malo mijenja tokom dana, godine i ekstremnim uslovima.

U talasnom opsegu km, i površinski i prostorni talasi su dobro izraženi (i danju i noću), posebno na talasima λ> 3 km.

Površinski talasi kada se emituju imaju ugao elevacije ne veći od 3-4 stepena, a prostorni talasi se emituju pod velikim uglovima prema površini zemlje.

Kritični ugao incidencije raspona RV km je vrlo mali (tokom dana na sloju D, a noću na sloju E). Zraci sa uglovima elevacije blizu 90° reflektuju se od jonosfere.

Površinski valovi u rasponu od km, zbog svoje dobre difrakcijske sposobnosti, mogu pružiti komunikaciju na udaljenostima do 1000 km ili više. Međutim, ovi valovi jako slabe s udaljenosti. (Na 1000 km, površinski talas je manjeg intenziteta od prostornog talasa).

Na veoma velikim udaljenostima komunikacija se odvija samo prostornim kilometarskim talasom. U oblasti jednakog intenziteta površinskih i prostornih talasa primećuje se skoro bledenje. Uslovi za širenje km talasa praktično su nezavisni od godišnjeg doba, nivoa sunčeve aktivnosti i slabo zavise od doba dana (noću je nivo signala veći).

Prijem u kilometarskom opsegu rijetko se pogoršava zbog jakih atmosferskih smetnji (grmljavina).

Kada se krećete od CM (LW) km do hektometarskog raspona, vodljivost zemlje i jonosfere se smanjuje. ε zemlje i prilazi ε atmosfere.

Gubici u zemlji su sve veći. Talasi prodiru dublje u jonosferu. Na udaljenosti od nekoliko stotina km počinju dominirati prostorni valovi, jer površinske se upijaju u zemlju i slabe.

Na udaljenosti od približno 50-200 km, površinski i nebeski valovi su jednaki po intenzitetu i može doći do bledenja kratkog dometa.

Zamrzavanje je često i duboko.

Kako se λ smanjuje, dubina zatamnjenja se povećava sa smanjenjem trajanja blokiranja.

Fading je posebno jak na λ većem od 100 m.

Prosečno trajanje zatamnjenja kreće se od nekoliko sekundi (1 sek) do nekoliko desetina sekundi.

Uslovi radio komunikacije u hektometarskom opsegu (HF) zavise od godišnjeg doba i doba dana, jer sloj D nestaje, a sloj E je viši, au sloju D postoji velika apsorpcija.

Domet komunikacije noću je veći nego danju.

Zimi se uslovi prijema poboljšavaju zbog smanjenja elektronske gustine jonosfere i oslabljuju se u atmosferskim poljima. U gradovima prijem u velikoj mjeri ovisi o industrijskim smetnjama.

ŠirenjeRV- dekametarski raspon (HF).

Pri prelasku sa SW na VF gubici u zemlji se jako povećavaju (tlo je nesavršen dielektrik), dok se u atmosferi (jonosfera) smanjuju.

Površinski talasi na prirodnim VF radio stazama su od male važnosti (slaba difrakcija, jaka apsorpcija).

2.1.1.Deterministički i slučajni signali

Deterministički signal je signal čija se trenutna vrijednost u bilo kojem trenutku može predvidjeti s vjerovatnoćom jednakom jedan.

Primjer determinističkog signala (slika 10) mogu biti: nizovi impulsa (čiji su oblik, amplituda i vremenski položaj poznati), kontinuirani signali sa datim odnosima amplituda-faza.

Metode za specifikaciju MM signala: analitički izraz (formula), oscilogram, spektralna reprezentacija.

Primjer MM determinističkog signala.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t+j 0)

Slučajni signal– signal čija je trenutna vrijednost u bilo kojem trenutku unaprijed nepoznata, ali se može predvidjeti sa određenom vjerovatnoćom, manjom od jedan.

Primjer slučajnog signala (slika 11) može biti napon koji odgovara ljudskom govoru ili muzici; sekvenca radio impulsa na ulazu radarskog prijemnika; smetnje, buka.

2.1.2. Signali koji se koriste u radio elektronici

Kontinuirani po veličini (nivo) i kontinuirani u vremenu (kontinuirani ili analogni) signali– uzimaju bilo koje vrijednosti s(t) i postoje u svakom trenutku u datom vremenskom intervalu (slika 12).

Kontinuirani po veličini i diskretni u vremenu signali su specificirane u diskretnim vremenskim vrijednostima (na prebrojivom skupu tačaka), veličina signala s(t) u tim tačkama poprima bilo koju vrijednost u određenom intervalu duž ordinatne ose.

Termin “diskretno” karakteriše metod specificiranja signala na vremenskoj osi (slika 13).

Kvantizirani po veličini i vremenski kontinuirani signali su specificirane na cijeloj vremenskoj osi, ali vrijednost s(t) može imati samo diskretne (kvantizirane) vrijednosti (slika 14).

Kvantizovani po veličini i vremenski diskretni (digitalni) signali– vrijednosti nivoa signala se prenose u digitalnom obliku (slika 15).

2.1.3. Pulsni signali

Puls- oscilacija koja postoji samo u ograničenom vremenskom periodu. Na sl. 16 i 17 prikazuju video puls i radio puls.

Za trapezoidni video puls, unesite sljedeće parametre:

A – amplituda;

t i – trajanje video impulsa;

t f – prednje trajanje;

t cf – trajanje rezanja.

S r (t)=S u (t)Sin(w 0 t+j 0)

S u (t) – video puls – omotač za radio puls.

Sin(w 0 t+j 0) – ispunjavanje radio pulsa.

2.1.4. Specijalni signali

Funkcija prebacivanja (jedna funkcija(Sl. 18) ili Heaviside funkcija) opisuje proces prijelaza nekog fizičkog objekta iz "nulte" u "jedinično" stanje, a taj prijelaz se događa trenutno.

Delta funkcija (Diracova funkcija) je puls čije trajanje teži nuli, dok se visina pulsa neograničeno povećava. Uobičajeno je reći da je funkcija koncentrisana u ovoj tački.

	(2)
	(3)

Amplitudna modulacija (AM) je najjednostavniji i najčešći način u radiotehnici uključivanja informacija u visokofrekventne oscilacije. Kod AM se omotač amplituda oscilacije nosioca mijenja po zakonu koji se poklapa sa zakonom promjene u prenesenoj poruci, dok se frekvencija i početna faza oscilacije održavaju nepromijenjeni. Stoga, za amplitudno moduliran radio signal, opći izraz (3.1) može se zamijeniti sljedećim:

Priroda omotača A(t) određena je tipom poruke koja se prenosi.

Uz kontinuiranu komunikaciju (slika 3.1, a), modulirana oscilacija poprima oblik prikazan na sl. 3.1, b. Omotača A(t) po obliku se poklapa sa modulirajućom funkcijom, odnosno sa prenijetom porukom s(t). Slika 3.1, b je konstruisana pod pretpostavkom da je konstantna komponenta funkcije s(t) jednaka nuli (u suprotnom slučaju, amplituda oscilacije nosioca tokom modulacije možda se neće poklapati sa amplitudom nemodulisane oscilacije). Najveća promjena u A(t) “dolje” ne može biti veća od . Promjena „naviše“ može, u principu, biti veća.

Glavni parametar amplitudski moduliranih oscilacija je koeficijent modulacije.

Rice. 3.1. Modulirajuća funkcija (a) i amplitudno modulirana oscilacija (b)

Definicija ovog koncepta je posebno jasna za tonsku modulaciju, kada je modulirajuća funkcija harmonijska oscilacija:

Envelope modulirane oscilacije može se predstaviti u obliku

gdje je frekvencija modulacije; - početna faza koverte; - koeficijent proporcionalnosti; - amplituda promene envelope (slika 3.2).

Rice. 3.2. Oscilacija modulirana po amplitudi harmonijskom funkcijom

Rice. 3.3. Amplituda oscilacije modulirana nizom impulsa

Stav

nazvan koeficijent modulacije.

Dakle, trenutna vrijednost modulirane oscilacije

Kod neiskrivljene modulacije, amplituda oscilacije varira od minimalne do maksimuma.

U skladu sa promjenom amplitude mijenja se i prosječna snaga modulirane oscilacije u periodu visoke frekvencije. Vrhovi omotača odgovaraju snazi ​​1-4 puta većoj od snage oscilacije nosioca.Prosječna snaga tokom perioda modulacije proporcionalna je srednjem kvadratu amplitude A(t):

Ova snaga samo za faktor premašuje snagu vibracije nosača. Dakle, sa 100% modulacijom (M = 1), vršna snaga je jednaka i prosečnoj snazi ​​(snaga vibracije nosioca je označena sa). Ovo pokazuje da povećanje snage oscilovanja uzrokovano modulacijom, koja u osnovi određuje uslove za izolaciju poruke pri prijemu, čak i na maksimalnoj dubini modulacije ne prelazi polovinu snage oscilacije nosioca.

Prilikom prenošenja diskretnih poruka, koje su naizmjenični impulsi i pauze (slika 3.3, a), modulirana oscilacija poprima oblik niza radio impulsa prikazanih na sl. 3.3, b. To znači da su faze visokofrekventnog punjenja u svakom od impulsa iste kao kada su „isječene“ iz jedne kontinuirane harmonijske oscilacije.

Samo pod ovim uslovima prikazanim na sl. 3.3b, niz radio impulsa može se tumačiti kao oscilacija modulirana samo amplitudom. Ako se faza mijenja od impulsa do impulsa, onda treba govoriti o mješovitoj amplitudno-kutnoj modulaciji.