Základné parametre rádiového signálu. Modulácia

§ Sila signálu

§ Špecifická energia signálu

§ Trvanie signálu T určuje časový interval, počas ktorého existuje signál (iný ako nula);

§ Dynamický rozsah je pomer najvyššieho okamžitého výkonu signálu k najnižšiemu:

§ Šírka spektra signálu F - frekvenčné pásmo, v ktorom je sústredená hlavná energia signálu;

§ Základ signálu je súčinom trvania signálu a šírky jeho spektra. Treba poznamenať, že existuje nepriamo úmerný vzťah medzi šírkou spektra a trvaním signálu: čím je spektrum kratšie, tým je trvanie signálu dlhšie. Veľkosť základne teda zostáva prakticky nezmenená;

§ Pomer signálu k šumu sa rovná pomeru užitočného výkonu signálu k výkonu šumu (S/N alebo SNR);

§ Objem prenášaných informácií charakterizuje šírku pásma komunikačného kanála potrebnú na prenos signálu. Je definovaný ako súčin šírky spektra signálu a jeho trvania a dynamického rozsahu

§ Energetická účinnosť (odolnosť voči potenciálnemu šumu) charakterizuje spoľahlivosť prenášaných dát, keď je signál vystavený aditívnemu bielemu gaussovskému šumu, za predpokladu, že sekvencia symbolov je obnovená ideálnym demodulátorom. Je určený minimálnym odstupom signálu od šumu (Eb/N 0), ktorý je potrebný na prenos dát kanálom s pravdepodobnosťou chyby nepresahujúcou špecifikovanú hodnotu. Energetická účinnosť určuje minimálny výkon vysielača potrebný na prijateľnú prevádzku. Charakteristickým znakom modulačnej metódy je krivka energetickej účinnosti - závislosť pravdepodobnosti chyby ideálneho demodulátora od pomeru signálu k šumu (E b /N 0).

§ Spektrálna účinnosť - pomer rýchlosti prenosu dát k použitej šírke pásma rádiového kanála.

• AMP: 0,83
• NMT: 0,46
• GSM: 1,35

§ Odolnosť voči vplyvom prenosového kanála charakterizuje spoľahlivosť prenášaných dát, keď je signál vystavený špecifickým skresleniam: vyblednutiu v dôsledku viaccestného šírenia, obmedzenia pásma, frekvenčne alebo časovo koncentrovaného rušenia, Dopplerovho javu atď.

§ Požiadavky na linearitu zosilňovača. Na zosilnenie signálov s určitými typmi modulácie možno použiť nelineárne zosilňovače triedy C, ktoré môžu výrazne znížiť spotrebu energie vysielača, pričom úroveň vyžarovania mimo pásma neprekračuje prípustné limity. Tento faktor je obzvlášť dôležitý pre mobilné komunikačné systémy.

Modulácia(lat. modulatio - pravidelnosť, rytmus) - proces zmeny jedného alebo viacerých parametrov kmitania vysokofrekvenčnej nosnej podľa zákona nízkofrekvenčného informačného signálu (správy).

Prenesené informácie je vložený do riadiaceho (modulačného) signálu a úlohu nosiča informácie plní vysokofrekvenčné kmitanie, nazývané nosič. Modulácia je teda proces „pristátia“ informačnej oscilácie na známom nosiči.

V dôsledku modulácie sa spektrum nízkofrekvenčného riadiaceho signálu prenáša do vysokofrekvenčnej oblasti. To umožňuje pri organizovaní vysielania nakonfigurovať fungovanie všetkých prijímacích a vysielacích zariadení na rôznych frekvenciách tak, aby sa navzájom „nerušili“.

Ako nosné môžu byť použité kmity rôznych tvarov (obdĺžnikové, trojuholníkové a pod.), najčastejšie sa však používajú harmonické kmity. Podľa toho, ktorý z parametrov kmitania nosnej vlny sa mení, sa rozlišuje typ modulácie (amplitúda, frekvencia, fáza atď.). Modulácia s diskrétnym signálom sa nazýva digitálna modulácia alebo kľúčovanie.

Prednáška č.5

T Vydanie č. 2: Prenos DISKRÉTNYCH správ

Téma prednášky: DIGITÁLNE RÁDIOVÉ SIGNÁLY A ICH

Úvod do funkcií

Pre systémy prenosu dát je najdôležitejšia požiadavka na spoľahlivosť prenášaných informácií. To si vyžaduje logické riadenie procesov prenosu a prijímania informácií. To je možné pri použití digitálnych signálov na prenos informácií vo formalizovanej forme. Takéto signály umožňujú zjednotiť základňu prvkov a použiť korekčné kódy, ktoré poskytujú výrazné zvýšenie odolnosti voči šumu.

2.1. Pochopenie prenosu diskrétnych správ

V súčasnosti sa na prenos diskrétnych správ (údajov) zvyčajne používajú takzvané digitálne komunikačné kanály.

Nositelia správ v digitálnych kanálov vychádzajú spojenia digitálnych signálov alebo rádiové signály, ak sa používajú rádiové komunikačné linky. Informačné parametre v takýchto signáloch sú amplitúda, frekvencia a fáza. Medzi súvisiacimi parametrami zaujíma osobitné miesto fáza harmonického kmitania. Ak je fáza harmonického kmitania na prijímacej strane presne známa a používa sa pri príjme, potom sa uvažuje o takomto komunikačnom kanáli koherentný. IN nesúvislý komunikačného kanála, fáza harmonického kmitania na prijímacej strane nie je známa a predpokladá sa, že je rozložená podľa jednotného zákona v rozsahu od 0 do 2  .

Proces prevodu diskrétnych správ na digitálne signály pri vysielaní a digitálnych signálov na diskrétne správy pri prijímaní je vysvetlený na obr. 2.1.

Obr.2.1. Proces konverzie diskrétnych správ počas ich prenosu

Tu sa berie do úvahy, že základné operácie prevodu diskrétnej správy na digitálny rádiový signál a späť zodpovedajú zovšeobecneným štrukturálny diagram systém prenosu diskrétnych správ diskutovaný v poslednej prednáške (znázornený na obr. 3). Uvažujme o hlavných typoch digitálnych rádiových signálov.

2.2. Charakteristika digitálnych rádiových signálov

2.2.1. Rádiové signály s amplitúdovým kľúčovaním (AMK).

Manipulácia s amplitúdou (AMn). Analytické vyjadrenie signálu AMn pre akýkoľvek časový okamih t má tvar:

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

Kde A 0 ,   A  - amplitúda, cyklická nosná frekvencia a počiatočná fáza rádiového signálu AMn,  (t) – primárny digitálny signál (parameter diskrétnej informácie).

Často sa používa iná forma zápisu:

s 1 (t) = 0 pri  = 0,

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

ktorý sa používa pri analýze signálov AMN počas časového obdobia rovnajúceho sa jednému hodinovému intervalu T. Pretože s(t) = 0 pri  = 0, potom sa signál AMn často nazýva signál s pasívnou pauzou. Implementácia rádiového signálu AMS je znázornená na obr. 2.2.

Obr.2.2. Implementácia rádiového signálu AMS

Spektrálna hustota signálu AMS má na nosnej frekvencii spojité aj diskrétne zložky   . Spojitá zložka predstavuje spektrálnu hustotu prenášaného digitálneho signálu  (t), prenesené do oblasti nosnej frekvencie. Je potrebné poznamenať, že diskrétna zložka spektrálnej hustoty sa vyskytuje iba vtedy, keď je počiatočná fáza signálu konštantná  . V praxi táto podmienka spravidla nie je splnená, keďže v dôsledku rôznych destabilizačných faktorov sa počiatočná fáza signálu v čase náhodne mení, t.j. je náhodný proces  (t) a je rovnomerne rozložená v intervale [-  ;  ]. Prítomnosť takýchto fázových fluktuácií vedie k „rozmazaniu“ diskrétnej zložky. Táto vlastnosť je typická aj pre iné druhy manipulácie. Obrázok 2.3 ukazuje spektrálnu hustotu rádiového signálu AMn.

Obr.2.3. Spektrálna hustota rádiového signálu AMn s náhodnou, rovnomernou

distribuované v intervale [-  ;  ] počiatočná fáza 

Priemerný výkon rádiového signálu AMn sa rovná
. Táto sila je rovnomerne rozdelená medzi spojitú a diskrétnu zložku spektrálnej hustoty. V dôsledku toho v rádiovom signáli AMS kontinuálna zložka v dôsledku prenosu užitočných informácií predstavuje iba polovicu výkonu vysielaného vysielačom.

Na generovanie rádiového signálu AMS sa zvyčajne používa zariadenie, ktoré zabezpečuje zmenu úrovne amplitúdy rádiového signálu podľa zákona prenášaného primárneho digitálneho signálu.  (t) (napríklad amplitúdový modulátor).

Na základe princípu výmeny informácií existujú tri typy rádiovej komunikácie:

simplexná rádiová komunikácia;

duplexná rádiová komunikácia;

poloduplexná rádiová komunikácia.

Na základe typu zariadenia používaného v rádiovom komunikačnom kanáli sa rozlišujú tieto typy rádiovej komunikácie:

telefón;

telegraf;

prenos dát;

faksimile;

televízia;

rozhlasové vysielanie.

Podľa typu použitých rádiových komunikačných kanálov sa rozlišujú tieto typy rádiovej komunikácie:

povrchová vlna;

troposférický;

ionosférický;

meteorický;

priestor;

rádiové relé.

Typy zdokumentovanej rádiovej komunikácie:

telegrafická komunikácia;

prenos dát;

faxová komunikácia.

Telegrafická komunikácia - na prenos správ vo forme alfanumerického textu.

Prenos údajov na výmenu formalizovaných informácií medzi osobou a počítačom alebo medzi počítačmi.

Faxová komunikácia na prenos statických obrázkov elektrickými signálmi.

1 – Telex – na výmenu písomnej korešpondencie medzi organizáciami a inštitúciami pomocou písacích strojov s elektronickou pamäťou;

2 – Tele (video) text – na príjem informácií z počítača na monitory;

3 – Telefax – faxy sa používajú na príjem (buď od používateľov alebo od podnikov).

V rádiových sieťach sa široko používajú tieto typy rádiových komunikačných signálov:

A1 - AT s ovládaním spojitých kmitov;

A2 - manipulácia s tónovo modulovanými osciláciami

ADS – A1 (B1) – OM s 50 % nosičom

AZA - A1 (B1) - OM s 10% nosičom

AZU1 - A1 (Bl) - OM bez nosiča

3. Vlastnosti šírenia rádiových vĺn rôznych rozsahov.

Šírenie rádiových vĺn v rozsahu myriametrov, kilometrov a hektometrov.

Na posúdenie charakteru šírenia rádiových vĺn konkrétneho rozsahu je potrebné poznať elektrické vlastnosti materiálových médií, v ktorých sa rádiové vlny šíria, t.j. poznať a ε A zeme a atmosféry.

Totálny súčasný zákon v diferenciálnej forme uvádza, že

tie. Zmena magnetického indukčného toku v priebehu času spôsobuje výskyt vodivého prúdu a posuvného prúdu.

Napíšme túto rovnicu s prihliadnutím na vlastnosti materiálneho prostredia:

λ < 4 м - диэлектрик

4 m< λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 m – vodič

Morská voda:

λ < 3 м - диэлектрик

3 cm< λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 m – vodič

Pre myriametrovú vlnu (SVD):

λ = 10 ÷ 100 km f = 3 ÷ 30 kHz

a kilometer (DV):

λ = 10 ÷ 1 km f = 30 ÷ 300 kHz

rozsahov sa zemský povrch svojimi elektrickými parametrami približuje ideálnemu vodiču a ionosféra má najvyššiu vodivosť a najnižšiu dielektrickú konštantu, t.j. blízko vodiča.

RV dosahy VLF a LW prakticky nepreniknú do zeme a ionosféry, pričom sa odrážajú od ich povrchu a môžu sa šíriť po prirodzených rádiových trasách na značné vzdialenosti bez výraznej straty energie povrchovými a priestorovými vlnami.

Pretože Keďže vlnová dĺžka rozsahu VHF je úmerná vzdialenosti k spodnej hranici ionosféry, pojem jednoduchej a povrchovej vlny stráca zmysel.

Proces šírenia RV sa považuje za prebiehajúci v sférickom vlnovode:

Vnútorná strana - brúsená

Vonkajšia strana (v noci - vrstva E, cez deň - vrstva D)

Proces vlnovodu sa vyznačuje nevýznamnými stratami energie.

Optimálna RV – 25 ÷ 30 km

Kritická RV (silný útlm) - 100 km alebo viac.

Inherentné javy: - slabnutie, rádiová ozvena.

Fading (fading) ako výsledok rušenia RV, ktoré prešli rôznymi dráhami a majú rôzne fázy v prijímacom bode.

Ak sú povrchové a priestorové vlny v bode príjmu v protifáze, potom to slabne.

Ak sú priestorové vlny v prijímacom bode v protifáze, potom to veľmi slabne.

Rádiové echo je opakovanie signálu v dôsledku sekvenčného príjmu vĺn odrazených od ionosféry rôzneho počtu ráz (blízko rádiového ozveny) alebo príchodu do prijímacieho bodu bez a po obídení zemegule (vzdialené rádiové echo).

Zemský povrch má stabilné vlastnosti a miesta, kde sa merajú podmienky ionosférickej ionizácie, majú malý vplyv na šírenie rozsahu RV VLF, potom sa množstvo energie rádiového signálu v priebehu dňa, roka a v r. extrémnych podmienkach.

V km vlnovom rozsahu sú dobre vyjadrené povrchové aj priestorové vlny (denné aj nočné), najmä pri vlnách λ> 3 km.

Povrchové vlny pri vyžarovaní majú uhol sklonu nie väčší ako 3-4 stupne a priestorové vlny sú vyžarované pod veľkými uhlami k zemskému povrchu.

Kritický uhol dopadu rozsahu RV km je veľmi malý (cez deň na vrstve D a v noci na vrstve E). Lúče s elevačným uhlom blízkym 90° sa odrážajú od ionosféry.

Povrchové vlny v rozsahu km môžu vďaka svojej dobrej difrakčnej schopnosti poskytovať komunikáciu na vzdialenosť až 1000 km alebo viac. Tieto vlny sa však so vzdialenosťou značne tlmia. (Vo 1000 km je povrchová vlna menej intenzívna ako priestorová vlna).

Na veľmi veľké vzdialenosti sa komunikácia uskutočňuje iba pomocou priestorových km vlny. V oblasti rovnakej intenzity povrchových a priestorových vĺn sa pozoruje takmer slabnutie. Podmienky šírenia km vĺn sú prakticky nezávislé od ročného obdobia, úrovne slnečnej aktivity a slabo závislé od dennej doby (v noci je úroveň signálu vyššia).

Príjem v rozsahu km je zriedkavo zhoršený v dôsledku silného atmosférického rušenia (búrka).

Pri pohybe z CM (LW) km do rozsahu hektometrov sa vodivosť zeme a ionosféry znižuje. ε zeme a priblíži sa k ε atmosféry.

Straty v zemi sa zvyšujú. Vlny prenikajú hlbšie do ionosféry. Vo vzdialenosti niekoľkých stoviek km začínajú dominovať priestorové vlny, pretože povrchové sú absorbované zemou a utlmujú sa.

Vo vzdialenosti približne 50-200 km sú povrchové a nebeské vlny rovnako intenzívne a môže dôjsť k zoslabeniu krátkeho dosahu.

Zmrazovanie je časté a hlboké.

Keď sa λ znižuje, hĺbka vyblednutia sa zvyšuje so znižujúcim sa trvaním blokovania.

Slabnutie je obzvlášť silné pri λ väčšej ako 100 m.

Priemerná dĺžka vyblednutia sa pohybuje od niekoľkých sekúnd (1 s) po niekoľko desiatok sekúnd.

Podmienky rádiovej komunikácie v rozsahu hektometrov (HF) závisia od ročného obdobia a dennej doby, pretože vrstva D zmizne a vrstva E je vyššia a vo vrstve D je veľká absorpcia.

Komunikačný dosah v noci je väčší ako cez deň.

V zime sa podmienky príjmu zlepšujú v dôsledku poklesu hustoty elektrónov v ionosfére a sú oslabené v atmosférických poliach. V mestách je príjem vysoko závislý od priemyselného rušenia.

Rozširovanie, šírenieRV- rozsah dekametrov (HF).

Pri prechode z JZ do HF sa straty v zemi veľmi zvyšujú (zem je nedokonalé dielektrikum), zatiaľ čo v atmosfére (ionosféra) klesajú.

Povrchové vlny na prirodzených KV rádiových cestách majú malý význam (slabá difrakcia, silná absorpcia).

2.1.1.Deterministické a náhodné signály

Deterministický signál je signál, ktorého okamžitú hodnotu možno kedykoľvek predpovedať s pravdepodobnosťou rovnajúcou sa jednej.

Príkladom deterministického signálu (obr. 10) môžu byť: sekvencie impulzov (ktorých je známy tvar, amplitúda a časová poloha), spojité signály s danými vzťahmi amplitúdy a fázy.

Metódy špecifikácie MM signálu: analytické vyjadrenie (vzorec), oscilogram, spektrálne zobrazenie.

Príklad MM deterministického signálu.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t + j 0)

Náhodný signál– signál, ktorého okamžitá hodnota je kedykoľvek vopred neznáma, ale dá sa predpovedať s určitou pravdepodobnosťou, menšou ako jedna.

Príkladom náhodného signálu (obr. 11) môže byť napätie zodpovedajúce ľudskej reči alebo hudbe; sekvencia rádiových impulzov na vstupe radarového prijímača; rušenie, šum.

2.1.2. Signály používané v rádiovej elektronike

Spojité v magnitúde (úrovni) a spojité v čase (spojité alebo analógové) signály– nadobúdajú ľubovoľné hodnoty s(t) a existujú v akomkoľvek okamihu v danom časovom intervale (obr. 12).

Spojité vo veľkosti a diskrétne v časových signáloch sú špecifikované v diskrétnych časových hodnotách (na spočítateľnej množine bodov), veľkosť signálu s(t) v týchto bodoch nadobúda akúkoľvek hodnotu v určitom intervale pozdĺž osi y.

Pojem „diskrétny“ charakterizuje spôsob špecifikácie signálu na časovej osi (obr. 13).

Magnitúdne kvantované a časovo spojité signály sú uvedené na celej časovej osi, ale hodnota s(t) môže nadobúdať iba diskrétne (kvantované) hodnoty (obr. 14).

Magnitúdovo kvantované a časovo diskrétne (digitálne) signály– hodnoty úrovní signálu sa prenášajú v digitálnej forme (obr. 15).

2.1.3. Pulzné signály

Pulz- oscilácia, ktorá existuje len v určitom časovom úseku. Na obr. 16 a 17 znázorňujú video impulz a rádiový impulz.

Pre lichobežníkový obrazový impulz zadajte nasledujúce parametre:

A – amplitúda;

ta – trvanie obrazového impulzu;

t f – predné trvanie;

t cf – dĺžka rezu.

S р (t) = S v (t) Sin (w 0 t + j 0)

S v (t) – video impulz – obálka pre rádiový impulz.

Sin(w 0 t+j 0) – vyplnenie rádiového impulzu.

2.1.4. Špeciálne signály

Spínacia funkcia (jednotlivá funkcia(Obr. 18) alebo funkcia Heaviside) opisuje proces prechodu nejakého fyzického objektu z „nulového“ do „jednotkového“ stavu a tento prechod nastáva okamžite.

Delta funkcia (funkcia Dirac) je impulz, ktorého trvanie má tendenciu k nule, pričom výška impulzu sa neobmedzene zvyšuje. Zvykom sa hovorí, že funkcia je sústredená v tomto bode.

	(2)
	(3)

Amplitúdová modulácia (AM) je najjednoduchší a najbežnejší spôsob v rádiovom inžinierstve začlenenia informácie do vysokofrekvenčnej oscilácie. Pri AM sa obálka amplitúd kmitania nosnej mení podľa zákona, ktorý sa zhoduje so zákonom o zmene prenášanej správy, pričom frekvencia a počiatočná fáza kmitania sa zachovávajú nezmenené. Preto pre amplitúdovo modulovaný rádiový signál možno všeobecný výraz (3.1) nahradiť nasledujúcim:

Charakter obálky A(t) je určený typom prenášanej správy.

Pri nepretržitej komunikácii (obr. 3.1, a) má modulovaná oscilácia podobu znázornenú na obr. 3.1, b. Obálka A(t) sa tvarovo zhoduje s modulačnou funkciou, t.j. s prenášanou správou s(t). Obrázok 3.1, b je zostrojený za predpokladu, že konštantná zložka funkcie s(t) sa rovná nule (v opačnom prípade sa amplitúda kmitania nosnej vlny počas modulácie nemusí zhodovať s amplitúdou kmitania nemodulovaného). Najväčšia zmena A(t) „dole“ nemôže byť väčšia ako . Zmena „nahor“ môže byť v zásade väčšia.

Hlavným parametrom amplitúdovo modulovanej oscilácie je modulačný koeficient.

Ryža. 3.1. Modulačná funkcia (a) a amplitúdovo modulovaná oscilácia (b)

Definícia tohto pojmu je obzvlášť jasná pre tónovú moduláciu, keď modulačnou funkciou je harmonická oscilácia:

Obálka modulovaného kmitania môže byť znázornená vo forme

kde je modulačná frekvencia; - počiatočná fáza obálky; - koeficient proporcionality; - amplitúda zmeny obálky (obr. 3.2).

Ryža. 3.2. Oscilácia modulovaná amplitúdou harmonickou funkciou

Ryža. 3.3. Amplitúda oscilácie modulovaná sledom impulzov

Postoj

nazývaný modulačný koeficient.

Teda okamžitá hodnota modulovaného kmitania

Pri neskreslenej modulácii sa amplitúda oscilácie mení od minima po maximum.

V súlade so zmenou amplitúdy sa mení aj priemerný výkon modulovanej oscilácie za periódu vysokej frekvencie. Vrcholy obálky zodpovedajú výkonu 1 až 4-krát väčšiemu, než je výkon oscilácie nosnej vlny. Priemerný výkon počas doby modulácie je úmerný strednej štvorci amplitúdy A(t):

Tento výkon prevyšuje silu nosnej vibrácie len o faktor. Pri 100% modulácii (M = 1) sa teda špičkový výkon rovná priemernému výkonu (sila nosnej vibrácie je označená). To ukazuje, že zvýšenie výkonu oscilácie spôsobené moduláciou, ktorá v podstate určuje podmienky na izoláciu správy pri príjme, ani pri maximálnej hĺbke modulácie nepresahuje polovicu výkonu oscilácie nosnej.

Pri prenose diskrétnych správ, ktorými sú striedavé impulzy a pauzy (obr. 3.3, a), má modulované kmitanie formu sekvencie rádiových impulzov znázornených na obr. 3,3, b. To znamená, že fázy vysokofrekvenčného plnenia v každom z impulzov sú rovnaké, ako keď sú „vyrezané“ z jednej súvislej harmonickej oscilácie.

Iba za tejto podmienky znázornenej na obr. 3.3b, sekvenciu rádiových impulzov možno interpretovať ako kmitanie modulované iba amplitúdou. Ak sa fáza zmení z impulzu na impulz, potom by sme mali hovoriť o zmiešanej amplitúdovo-uhlovej modulácii.