Grunnleggende parametere for radiosignalet. Modulering

§ Signalstyrke

§ Spesifikk signalenergi

§ Signalvarighet T bestemmer tidsintervallet som signalet eksisterer i (annet enn null);

§ Dynamisk område er forholdet mellom den høyeste øyeblikkelige signaleffekten og den laveste:

§ Signalspekterbredde F - frekvensbånd innenfor hvilket hovedsignalenergien er konsentrert;

§ Signalbasen er produktet av signalets varighet og bredden av spekteret. Det skal bemerkes at det er et omvendt proporsjonalt forhold mellom bredden av spekteret og varigheten av signalet: jo kortere spekteret, desto lengre er varigheten av signalet. Dermed forblir størrelsen på basen praktisk talt uendret;

§ Signal-til-støy-forholdet er lik forholdet mellom den nyttige signaleffekten og støyeffekten (S/N eller SNR);

§ Volumet av overført informasjon karakteriserer kommunikasjonskanalens båndbredde som kreves for signaloverføring. Det er definert som produktet av signalspekterets bredde og dets varighet og dynamiske område

§ Energieffektivitet (potensiell støyimmunitet) karakteriserer påliteligheten til de overførte dataene når signalet utsettes for additiv hvit gaussisk støy, forutsatt at symbolsekvensen gjenopprettes av en ideell demodulator. Det bestemmes av minimum signal-til-støy-forhold (Eb/N 0), som er nødvendig for å overføre data gjennom en kanal med en feilsannsynlighet som ikke overstiger en spesifisert. Energieffektivitet bestemmer minimum sendereffekt som kreves for akseptabel drift. Et kjennetegn ved modulasjonsmetoden er energieffektivitetskurven - avhengigheten av feilsannsynligheten til en ideell demodulator på signal-til-støy-forholdet (Eb/N 0).

§ Spektral effektivitet - forholdet mellom dataoverføringshastigheten og den brukte båndbredden til radiokanalen.

• AMPS: 0,83
• NMT: 0,46
• GSM: 1,35

§ Motstand mot påvirkningene fra overføringskanalen karakteriserer påliteligheten til de overførte dataene når signalet utsettes for spesifikke forvrengninger: fading på grunn av flerveisutbredelse, båndbegrensning, frekvens- eller tidskonsentrert interferens, Doppler-effekten, etc.

§ Krav til forsterkerlinearitet. For å forsterke signaler med visse typer modulasjon, kan ikke-lineære klasse C-forsterkere brukes, noe som kan redusere strømforbruket til senderen betydelig, mens nivået av stråling utenfor båndet ikke overskrider tillatte grenser. Denne faktoren er spesielt viktig for mobile kommunikasjonssystemer.

Modulering(Latin modulatio - regularitet, rytme) - prosessen med å endre en eller flere parametere for en høyfrekvent bærebølgeoscillasjon i henhold til loven om et lavfrekvent informasjonssignal (melding).

Overført informasjon er innebygd i kontrollsignalet (modulerende), og rollen som informasjonsbærer utføres av en høyfrekvent oscillasjon, kalt bærebølgen. Modulasjon er derfor prosessen med å "lande" en informasjonsoscillasjon på en kjent bærer.

Som et resultat av modulasjon blir spekteret til lavfrekvent kontrollsignal overført til høyfrekvente regionen. Dette gjør det mulig, når du organiserer kringkasting, å konfigurere funksjonen til alle mottaks- og sendeenheter ved forskjellige frekvenser, slik at de ikke "forstyrrer" hverandre.

Svingninger av ulike former kan brukes som bærer (rektangulære, trekantede, etc.), men harmoniske svingninger brukes oftest. Avhengig av hvilke av parametrene til bærebølgesvingningen som endres, skilles typen av modulasjon (amplitude, frekvens, fase, etc.). Modulering med et diskret signal kalles digital modulasjon eller keying.

Forelesning nr. 5

T Utgave nr. 2: Overføring av DISKRETE meldinger

Forelesningsemne: DIGITALE RADIOSIGNALER OG DERES

Funksjoner Introduksjon

For dataoverføringssystemer er kravet til påliteligheten til den overførte informasjonen viktigst. Dette krever logisk kontroll av prosessene for overføring og mottak av informasjon. Dette blir mulig når du bruker digitale signaler for å overføre informasjon i en formalisert form. Slike signaler gjør det mulig å forene elementbasen og bruke korreksjonskoder som gir en betydelig økning i støyimmunitet.

2.1. Forstå diskret meldingsoverføring

For tiden brukes vanligvis såkalte digitale kommunikasjonskanaler for å overføre diskrete meldinger (data).

Transportører av meldinger i digitale kanaler forbindelser kommer ut digitale signaler eller radiosignaler hvis radiokommunikasjonslinjer brukes. Informasjonsparametrene i slike signaler er amplitude, frekvens og fase. Blant de relaterte parametrene opptar fasen av harmonisk oscillasjon en spesiell plass. Hvis fasen av den harmoniske oscillasjonen på mottakersiden er nøyaktig kjent og denne brukes under mottak, vurderes en slik kommunikasjonskanal sammenhengende. I usammenhengende kommunikasjonskanal, fasen av den harmoniske oscillasjonen på mottakersiden er ukjent og det anses at den er fordelt i henhold til en enhetlig lov i området fra 0 til 2  .

Prosessen med å konvertere diskrete meldinger til digitale signaler ved overføring og digitale signaler til diskrete meldinger ved mottak er forklart i fig. 2.1.

Fig.2.1. Prosessen med å konvertere diskrete meldinger under overføringen

Her tas det i betraktning at de grunnleggende operasjonene med å konvertere en diskret melding til et digitalt radiosignal og tilbake tilsvarer den generaliserte strukturdiagram diskret meldingsoverføringssystem diskutert i siste forelesning (vist i fig. 3). La oss vurdere hovedtypene av digitale radiosignaler.

2.2. Kjennetegn på digitale radiosignaler

2.2.1. Amplitude-shift keying (AMK) radiosignaler

Amplitudemanipulasjon (AMn). Analytisk uttrykk for AMn-signalet for ethvert øyeblikk t har formen:

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

Hvor EN 0 ,   Og  - amplitude, syklisk bærefrekvens og startfase til AMn-radiosignalet,  (t) – primært digitalt signal (diskret informasjonsparameter).

En annen form for notasjon brukes ofte:

s 1 (t) = 0 på  = 0,

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

som brukes ved analyse av AMN-signaler over en tidsperiode lik ett klokkeintervall T. Fordi s(t) = 0 kl  = 0, så kalles AMn-signalet ofte et signal med passiv pause. Implementeringen av AMS-radiosignalet er vist i fig. 2.2.

Fig.2.2. Implementering av AMS radiosignal

Den spektrale tettheten til AMS-signalet har både kontinuerlige og diskrete komponenter ved bærefrekvensen   . Den kontinuerlige komponenten representerer spektraltettheten til det overførte digitale signalet  (t), overført til bærefrekvensområdet. Det skal bemerkes at den diskrete komponenten av spektraltettheten bare oppstår når den innledende fasen av signalet er konstant  . I praksis er denne betingelsen som regel ikke oppfylt, siden som et resultat av ulike destabiliserende faktorer, endres den innledende fasen av signalet tilfeldig over tid, dvs. er en tilfeldig prosess  (t) og er jevnt fordelt i intervallet [-  ;  ]. Tilstedeværelsen av slike fasesvingninger fører til "uskarphet" av den diskrete komponenten. Denne funksjonen er også typisk for andre typer manipulasjon. Figur 2.3 viser spektraltettheten til AMn-radiosignalet.

Fig.2.3. Spektraltettheten til AMn-radiosignalet med en tilfeldig, ensartet

fordelt i intervallet [-  ;  ] innledende fase 

Den gjennomsnittlige effekten til AMn-radiosignalet er lik
. Denne kraften er likt fordelt mellom de kontinuerlige og diskrete komponentene i spektraltettheten. Følgelig, i et AMS-radiosignal, utgjør den kontinuerlige komponenten på grunn av overføring av nyttig informasjon bare halvparten av kraften som sendes ut av senderen.

For å generere et AMS-radiosignal brukes vanligvis en enhet som gir en endring i amplitudenivået til radiosignalet i henhold til loven til det overførte primære digitale signalet  (t) (for eksempel en amplitudemodulator).

Basert på prinsippet om informasjonsutveksling er det tre typer radiokommunikasjon:

simpleks radiokommunikasjon;

dupleks radiokommunikasjon;

halv-dupleks radiokommunikasjon.

Basert på typen utstyr som brukes i radiokommunikasjonskanalen, skilles følgende typer radiokommunikasjon:

telefon;

telegraf;

Data overføring;

faksimile;

fjernsyn;

radiokringkasting.

Basert på typen radiokommunikasjonskanaler som brukes, skilles følgende typer radiokommunikasjon ut:

overflate bølge;

troposfærisk;

ionosfærisk;

meteorisk;

rom;

radiorelé.

Typer dokumentert radiokommunikasjon:

telegraf kommunikasjon;

data overføring;

fakskommunikasjon.

Telegrafkommunikasjon - for overføring av meldinger i form av alfanumerisk tekst.

Dataoverføring for utveksling av formalisert informasjon mellom en person og en datamaskin eller mellom datamaskiner.

Faksimilekommunikasjon for overføring av stillbilder med elektriske signaler.

1 – Telex – for utveksling av skriftlig korrespondanse mellom organisasjoner og institusjoner som bruker skrivemaskiner med elektronisk minne;

2 – Tele (video) tekst – for å motta informasjon fra datamaskinen til skjermer;

3 – Tele (byrå) faks – faksmaskiner brukes til mottak (enten fra brukere eller fra bedrifter).

Følgende typer radiokommunikasjonssignaler er mye brukt i radionettverk:

A1 - AT med manipulering av kontinuerlige oscillasjoner;

A2 - manipulering av tonemodulerte oscillasjoner

ADS - A1 (B1) - OM med 50 % bærer

AZA - A1 (B1) - OM med 10 % bærer

AZU1 - A1 (Bl) - OM uten bærer

3. Funksjoner ved forplantning av radiobølger i forskjellige rekkevidder.

Utbredelse av radiobølger i myriameter-, kilometer- og hektometerområdet.

For å vurdere arten av forplantningen av radiobølger i et bestemt område, er det nødvendig å kjenne til de elektriske egenskapene til det materielle mediet der radiobølgen forplanter seg, dvs. kjenner og ε A av jorden og atmosfæren.

Den samlede gjeldende rett i differensiell form sier at

de. En endring i magnetisk induksjonsfluks over tid forårsaker utseendet av ledningsstrøm og forskyvningsstrøm.

La oss skrive denne ligningen under hensyntagen til egenskapene til det materielle miljøet:

λ < 4 м - диэлектрик

4 m< λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 m – leder

Sjøvann:

λ < 3 м - диэлектрик

3 cm< λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 m – leder

For myriameterbølge (SVD):

λ = 10 ÷ 100 km f = 3 ÷ 30 kHz

og kilometer (DV):

λ = 10 ÷ 1 km f = 30 ÷ 300 kHz

rekkevidder, nærmer jordoverflaten i sine elektriske parametere en ideell leder, og ionosfæren har den høyeste ledningsevnen og den laveste dielektriske konstanten, dvs. nær konduktøren.

RV-områdene VLF og LW trenger praktisk talt ikke gjennom jorden og ionosfæren, reflekteres fra overflaten og kan forplante seg langs naturlige radiobaner over betydelige avstander uten betydelig tap av energi fra overflate- og rombølger.

Fordi Siden bølgelengden til VHF-området er i samsvar med avstanden til den nedre grensen til ionosfæren, mister begrepet en enkel og overflatebølge sin betydning.

RV-utbredelsesprosessen anses å forekomme i en sfærisk bølgeleder:

Innerside - grunn

Ekstern side (om natten - lag E, om dagen - lag D)

Bølgelederprosessen er preget av ubetydelige energitap.

Optimal bobil – 25 ÷ 30 km

Kritisk RV (sterk demping) - 100 km eller mer.

Iboende fenomener: - fading, radioekko.

Fading (fading) som et resultat av interferens fra bobiler som har gått forskjellige veier og har forskjellige faser ved mottakspunktet.

Hvis overflate- og rombølgene er i motfase ved mottakspunktet, så falmer dette.

Hvis de romlige bølgene er i motfase ved mottakspunktet, er dette langt nedtoning.

Et radioekko er en repetisjon av et signal som et resultat av sekvensiell mottak av bølger reflektert fra ionosfæren et annet antall ganger (nær radioekko) eller ankommer mottakspunktet uten og etter å ha sirklet rundt kloden (fjern radioekko).

Jordoverflaten har stabile egenskaper, og stedene hvor de ionosfæriske ioniseringsforholdene måles har liten effekt på utbredelsen av RV VLF-rekkevidden, da endres mengden radiosignalenergi lite i løpet av en dag, et år, og i ekstreme forhold.

I km-bølgeområdet er både overflate- og rombølger godt uttrykt (både dag og natt), spesielt ved bølger λ> 3 km.

Overflatebølger når de sendes ut har en høydevinkel på ikke mer enn 3-4 grader, og romlige bølger sendes ut i store vinkler til jordoverflaten.

Den kritiske innfallsvinkelen til RV km-rekkevidden er svært liten (på dagtid på lag D, og ​​om natten på lag E). Stråler med høydevinkler nær 90° reflekteres fra ionosfæren.

Overflatebølger i km-området kan på grunn av deres gode diffraksjonsevne gi kommunikasjon over avstander på opptil 1000 km eller mer. Disse bølgene dempes imidlertid kraftig med avstand. (Ved 1000 km er overflatebølgen mindre intens enn den romlige bølgen).

Over svært lange avstander utføres kommunikasjon kun av romlig km-bølge. I området med lik intensitet av overflate- og rombølger observeres nesten-fading. Forholdene for forplantning av km-bølger er praktisk talt uavhengige av årstiden, nivået av solaktivitet, og avhenger svakt av tiden på dagen (om natten er signalnivået høyere).

Mottak i km-rekkevidden blir sjelden forringet på grunn av sterk atmosfærisk forstyrrelse (tordenvær).

Når man beveger seg fra CM (LW) km til hektometerområdet, reduseres ledningsevnen til jorden og ionosfæren. ε av jorden og nærmer seg ε av atmosfæren.

Tapene i bakken øker. Bølgene trenger dypere inn i ionosfæren. I en avstand på flere hundre km begynner romlige bølger å dominere, pga overflaten blir absorbert av jorden og svekker.

I en avstand på omtrent 50-200 km er overflate- og himmelbølger like i intensitet, og kortdistansefading kan forekomme.

Frysing er hyppig og dyp.

Når λ avtar, øker dybden av fading med avtagende varighet av blokkering.

Fading er spesielt sterk ved λ større enn 100 m.

Den gjennomsnittlige varigheten av fading varierer fra flere sekunder (1 sek) til flere titalls sekunder.

Radiokommunikasjonsforhold i hektometerområdet (HF) avhenger av årstid og tid på døgnet, pga lag D forsvinner, og lag E er høyere, og i lag D er det stor absorpsjon.

Kommunikasjonsrekkevidden om natten er større enn om dagen.

Om vinteren forbedres mottaksforholdene på grunn av en reduksjon i elektrontettheten til ionosfæren og svekkes i atmosfæriske felt. I byer er mottak svært avhengig av industriell interferens.

SpredningRV- dekameterområde (HF).

Ved flytting fra SW til HF øker tapene i bakken kraftig (bakken er et ufullkommen dielektrikum), mens de i atmosfæren (ionosfæren) avtar.

Overflatebølger på naturlige HF-radiobaner er av lav betydning (svak diffraksjon, sterk absorpsjon).

2.1.1.Deterministiske og tilfeldige signaler

Deterministisk signal er et signal hvis øyeblikkelige verdi til enhver tid kan forutsies med en sannsynlighet lik én.

Et eksempel på et deterministisk signal (fig. 10) kan være: sekvenser av pulser (hvis form, amplitude og tidsposisjon er kjent), kontinuerlige signaler med gitte amplitude-faseforhold.

Metoder for å spesifisere et MM-signal: analytisk uttrykk (formel), oscillogram, spektral representasjon.

Et eksempel på en MM av et deterministisk signal.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t+j 0)

Tilfeldig signal– et signal hvis øyeblikksverdi til enhver tid er ukjent på forhånd, men som kan forutsies med en viss sannsynlighet, mindre enn én.

Et eksempel på et tilfeldig signal (fig. 11) kan være en spenning som tilsvarer menneskelig tale eller musikk; sekvens av radiopulser ved inngangen til radarmottakeren; forstyrrelser, støy.

2.1.2. Signaler som brukes i radioelektronikk

Kontinuerlige i styrke (nivå) og kontinuerlige i tid (kontinuerlige eller analoge) signaler– ta alle verdier s(t) og eksistere til enhver tid i et gitt tidsintervall (fig. 12).

Kontinuerlige i størrelsesorden og diskrete i tidssignaler er spesifisert ved diskrete tidsverdier (på et tellbart sett med punkter), størrelsen på signalet s(t) ved disse punktene får en hvilken som helst verdi i et visst intervall langs ordinataksen.

Begrepet "diskret" karakteriserer metoden for å spesifisere et signal på tidsaksen (fig. 13).

Magnitude-kvantiserte og tidskontinuerlige signaler er spesifisert på hele tidsaksen, men verdien s(t) kan bare ta diskrete (kvantiserte) verdier (fig. 14).

Magnitude-kvantiserte og tidsdiskrete (digitale) signaler– verdiene til signalnivåer overføres i digital form (fig. 15).

2.1.3. Pulssignaler

Puls- en oscillasjon som bare eksisterer innenfor en begrenset tidsperiode. I fig. 16 og 17 viser en videopuls og en radiopuls.

For en trapesformet videopuls, angi følgende parametere:

A – amplitude;

t og – videopulsvarighet;

t f - varighet foran;

t cf – kutt varighet.

S р (t)=S i (t)Sin(w 0 t+j 0)

S i (t) – videopuls – konvolutt for en radiopuls.

Sin(w 0 t+j 0) – fyller radiopulsen.

2.1.4. Spesielle signaler

Byttefunksjon (enkeltfunksjon(Fig. 18) eller Heaviside-funksjon) beskriver prosessen med overgangen til et fysisk objekt fra en "null" til en "enhets"-tilstand, og denne overgangen skjer umiddelbart.

Delta-funksjon (Dirac-funksjon) er en puls hvis varighet har en tendens til null, mens høyden på pulsen øker i det uendelige. Det er vanlig å si at funksjonen er konsentrert på dette punktet.

	(2)
	(3)

Amplitudemodulasjon (AM) er den enkleste og vanligste måten innen radioteknikk for å inkorporere informasjon i en høyfrekvent oscillasjon. Med AM endres omhyllingen av amplitudene til bærebølgesvingningen i henhold til en lov som sammenfaller med endringsloven i den overførte meldingen, mens frekvensen og startfasen til oscillasjonen opprettholdes uendret. Derfor, for et amplitudemodulert radiosignal, kan det generelle uttrykket (3.1) erstattes med følgende:

Naturen til konvolutten A(t) bestemmes av typen melding som sendes.

Ved kontinuerlig kommunikasjon (fig. 3.1, a) tar den modulerte oscillasjonen formen vist i fig. 3.1, b. Konvolutten A(t) sammenfaller i form med moduleringsfunksjonen, dvs. med den overførte melding s(t). Figur 3.1, b er konstruert under forutsetning av at den konstante komponenten til funksjonen s(t) er lik null (i motsatt tilfelle kan det hende at amplituden til bærebølgesvingningen under modulasjon ikke faller sammen med amplituden til den umodulerte oscillasjonen). Den største endringen i A(t) "ned" kan ikke være større enn . Endringen «oppover» kan i prinsippet være større.

Hovedparameteren for amplitudemodulert oscillasjon er modulasjonskoeffisienten.

Ris. 3.1. Modulerende funksjon (a) og amplitudemodulert oscillasjon (b)

Definisjonen av dette konseptet er spesielt tydelig for tonal modulasjon, når moduleringsfunksjonen er en harmonisk oscillasjon:

Konvolutten til den modulerte oscillasjonen kan representeres i formen

hvor er modulasjonsfrekvensen; - innledende fase av konvolutten; - proporsjonalitetskoeffisient; - amplitude av konvoluttendring (fig. 3.2).

Ris. 3.2. Oscillasjon modulert i amplitude av en harmonisk funksjon

Ris. 3.3. Oscillasjonsamplitude modulert av et pulstog

Holdning

kalt modulasjonskoeffisienten.

Dermed den øyeblikkelige verdien av den modulerte oscillasjonen

Med uforvrengt modulasjon varierer amplituden til oscillasjonen fra minimum til maksimum.

I samsvar med endringen i amplitude, endres også gjennomsnittseffekten til den modulerte oscillasjonen over perioden med høy frekvens. Toppene av envelope tilsvarer en effekt 1–4 ganger større enn kraften til bærebølgesvingningen. Gjennomsnittlig effekt over modulasjonsperioden er proporsjonal med middelkvadraten til amplituden A(t):

Denne kraften overstiger kraften til bærervibrasjonen med bare en faktor. Således, med 100 % modulasjon (M = 1), er toppeffekten lik og gjennomsnittseffekten (kraften til bærervibrasjonen er angitt med). Dette viser at økningen i oscillasjonseffekt forårsaket av modulasjon, som i utgangspunktet bestemmer betingelsene for å isolere en melding ved mottak, selv ved maksimal modulasjonsdybde ikke overstiger halvparten av effekten til bærebølgesvingningen.

Ved overføring av diskrete meldinger, som er vekslende pulser og pauser (fig. 3.3, a), tar den modulerte oscillasjonen form av en sekvens av radiopulser vist i fig. 3.3, b. Dette betyr at fasene for høyfrekvent fylling i hver av pulsene er de samme som når de "kuttes" fra en kontinuerlig harmonisk oscillasjon.

Bare under denne tilstanden vist i fig. 3.3b kan sekvensen av radiopulser tolkes som en oscillasjon modulert bare i amplitude. Hvis fasen endres fra puls til puls, bør vi snakke om blandet amplitude-vinkelmodulasjon.