Osnovni parametri radijskega signala. Modulacija

§ Moč signala

§ Specifična energija signala

§ Trajanje signala T določa časovni interval, v katerem obstaja signal (razen nič);

§ Dinamični razpon je razmerje med največjo in najnižjo trenutno močjo signala:

§ Širina spektra signala F - frekvenčni pas, znotraj katerega je koncentrirana energija glavnega signala;

§ Osnova signala je produkt trajanja signala in širine njegovega spektra. Upoštevati je treba, da obstaja obratno sorazmerje med širino spektra in trajanjem signala: krajši kot je spekter, daljše je trajanje signala. Tako ostane velikost baze praktično nespremenjena;

§ Razmerje med signalom in šumom je enako razmerju med močjo uporabnega signala in močjo šuma (S/N ali SNR);

§ Količina prenesenih informacij označuje pasovno širino komunikacijskega kanala, potrebno za prenos signala. Definiran je kot produkt širine spektra signala ter njegovega trajanja in dinamičnega razpona

§ Energijska učinkovitost (potencialna odpornost proti hrupu) označuje zanesljivost prenesenih podatkov, ko je signal izpostavljen aditivnemu belemu Gaussovemu šumu, pod pogojem, da je zaporedje simbolov obnovljeno z idealnim demodulatorjem. Določeno je z minimalnim razmerjem signal/šum (E b /N 0), ki je potrebno za prenos podatkov po kanalu z verjetnostjo napake, ki ne presega določene. Energetska učinkovitost določa minimalno moč oddajnika, potrebno za sprejemljivo delovanje. Značilnost metode modulacije je krivulja energetske učinkovitosti - odvisnost verjetnosti napake idealnega demodulatorja od razmerja signal/šum (E b /N 0).

§ Spektralna učinkovitost - razmerje med hitrostjo prenosa podatkov in uporabljeno pasovno širino radijskega kanala.

• AMPS: 0,83
• NMT: 0,46
• GSM: 1.35

§ Odpornost na vplive prenosnega kanala označuje zanesljivost prenesenih podatkov, ko je signal izpostavljen specifičnim popačenjem: bledenje zaradi večpotnega širjenja, omejitev pasu, frekvenčno ali časovno koncentrirane motnje, Dopplerjev učinek itd.

§ Zahteve za linearnost ojačevalnika. Za ojačanje signalov z določenimi vrstami modulacije se lahko uporabljajo nelinearni ojačevalniki razreda C, ki lahko znatno zmanjšajo porabo energije oddajnika, medtem ko raven izvenpasovnega sevanja ne presega dovoljenih meja. Ta dejavnik je še posebej pomemben za mobilne komunikacijske sisteme.

Modulacija(Latinsko modulatio - pravilnost, ritem) - postopek spreminjanja enega ali več parametrov visokofrekvenčnega nosilnega nihanja po zakonu nizkofrekvenčnega informacijskega signala (sporočila).

Prenesene informacije je vgrajen v krmilni (modulirni) signal, vlogo nosilca informacije pa opravlja visokofrekvenčno nihanje, imenovano nosilec. Modulacija je torej proces "pristanka" informacijskega nihanja na znanem nosilcu.

Zaradi modulacije se spekter nizkofrekvenčnega krmilnega signala prenese v visokofrekvenčno območje. To omogoča, da pri organizaciji oddajanja konfigurirate delovanje vseh sprejemnih in oddajnih naprav na različnih frekvencah, tako da ne "motijo" druga druge.

Kot nosilec lahko uporabimo nihanja različnih oblik (pravokotna, trikotna itd.), najpogosteje pa se uporabljajo harmonična nihanja. Glede na to, kateri od parametrov nosilnega nihanja se spreminja, se razlikuje vrsta modulacije (amplituda, frekvenca, faza itd.). Modulacija z diskretnim signalom se imenuje digitalna modulacija ali keying.

Predavanje št. 5

T Izdaja št. 2: Prenos DISKRETNIH sporočil

Tema predavanja: DIGITALNI RADIJSKI SIGNALI IN NJIH

Funkcije Uvod

Pri sistemih za prenos podatkov je najpomembnejša zahteva po zanesljivosti posredovanih informacij. To zahteva logično kontrolo procesov oddajanja in sprejemanja informacij. To postane mogoče z uporabo digitalnih signalov za prenos informacij v formalizirani obliki. Takšni signali omogočajo poenotenje elementne baze in uporabo korekcijskih kod, ki zagotavljajo znatno povečanje odpornosti proti hrupu.

2.1. Razumevanje diskretnega prenosa sporočil

Trenutno se za prenos diskretnih sporočil (podatkov) običajno uporabljajo tako imenovani digitalni komunikacijski kanali.

Nosilci sporočil v digitalnih kanalov povezave pridejo ven digitalni signali ali radijske signale, če se uporabljajo radijske komunikacijske linije. Informacijski parametri v takih signalih so amplituda, frekvenca in faza. Med sorodnimi parametri zavzema posebno mesto faza harmoničnega nihanja. Če je faza harmoničnega nihanja na sprejemni strani natančno znana in se ta uporablja pri sprejemu, potem pride v poštev tak komunikacijski kanal skladen. IN neskladen komunikacijskega kanala faza harmoničnega nihanja na sprejemni strani ni znana in se šteje, da je porazdeljena po enotnem zakonu v območju od 0 do 2  .

Postopek pretvorbe diskretnih sporočil v digitalne signale pri oddajanju in digitalnih signalov v diskretna sporočila pri sprejemu je razložen na sliki 2.1.

Slika 2.1. Postopek pretvorbe diskretnih sporočil med njihovim prenosom

Pri tem se upošteva, da osnovne operacije pretvorbe diskretnega sporočila v digitalni radijski signal in nazaj ustrezajo posplošenemu strukturni diagram diskretni sistem za prenos sporočil, ki smo ga obravnavali v zadnjem predavanju (prikazano na sliki 3). Razmislimo o glavnih vrstah digitalnih radijskih signalov.

2.2. Značilnosti digitalnih radijskih signalov

2.2.1. Radijski signali s premikanjem amplitude (AMK).

Amplitudna manipulacija (AMn). Analitični izraz signala AMn za kateri koli trenutek t ima obliko:

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

Kje A 0 ,   in  - amplitudo, ciklično nosilno frekvenco in začetno fazo radijskega signala AMn,  (t) – primarni digitalni signal (parameter diskretne informacije).

Pogosto se uporablja druga oblika zapisa:

s 1 (t) = 0 pri  = 0,

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

ki se uporablja pri analizi signalov AMN v časovnem obdobju, ki je enako enemu urnemu intervalu T. Ker s(t) = 0 pri  = 0, potem se signal AMn pogosto imenuje signal s pasivno pavzo. Izvedba radijskega signala AMS je prikazana na sliki 2.2.

Slika 2.2. Izvedba radijskega signala AMS

Spektralna gostota signala AMS ima zvezne in diskretne komponente na nosilni frekvenci   . Zvezna komponenta predstavlja spektralno gostoto oddanega digitalnega signala  (t), prenesena v območje nosilne frekvence. Upoštevati je treba, da se diskretna komponenta spektralne gostote pojavi le, če je začetna faza signala konstantna.  . V praksi ta pogoj praviloma ni izpolnjen, saj se zaradi različnih destabilizirajočih dejavnikov začetna faza signala naključno spreminja v času, tj. je naključen proces  (t) in je enakomerno porazdeljen v intervalu [-  ;  ]. Prisotnost takih faznih nihanj vodi do "zamegljenosti" diskretne komponente. Ta lastnost je značilna tudi za druge vrste manipulacij. Slika 2.3 prikazuje spektralno gostoto radijskega signala AMn.

Slika 2.3. Spektralna gostota radijskega signala AMn z naključno, enakomerno

porazdeljeno v intervalu [-  ;  ] začetna faza 

Povprečna moč radijskega signala AMn je enaka
. Ta moč je enakomerno porazdeljena med zvezno in diskretno komponento spektralne gostote. Posledično v radijskem signalu AMS neprekinjena komponenta zaradi prenosa uporabnih informacij predstavlja le polovico moči, ki jo oddaja oddajnik.

Za ustvarjanje radijskega signala AMS se običajno uporablja naprava, ki zagotavlja spremembo ravni amplitude radijskega signala v skladu z zakonom oddanega primarnega digitalnega signala.  (t) (na primer amplitudni modulator).

Glede na načelo izmenjave informacij obstajajo tri vrste radijskih komunikacij:

Simpleksna radijska komunikacija;

dupleksna radijska komunikacija;

poldupleksna radijska komunikacija.

Glede na vrsto opreme, ki se uporablja v radijskem komunikacijskem kanalu, ločimo naslednje vrste radijskih komunikacij:

telefon;

telegraf;

prenos podatkov;

faksimile;

televizija;

radijsko oddajanje.

Glede na vrsto uporabljenih radijskih komunikacijskih kanalov ločimo naslednje vrste radijskih komunikacij:

površinski val;

troposferski;

ionosferski;

meteorno;

prostor;

radijski rele.

Vrste dokumentiranih radijskih komunikacij:

telegrafska komunikacija;

prenos podatkov;

faks komunikacijo.

Telegrafska komunikacija - za prenos sporočil v obliki alfanumeričnega besedila.

Prenos podatkov za izmenjavo formaliziranih informacij med osebo in računalnikom ali med računalniki.

Faksimilna komunikacija za prenos mirujočih slik z električnimi signali.

1 – teleks – za izmenjavo pisne korespondence med organizacijami in ustanovami z uporabo pisalnih strojev z elektronskim spominom;

2 – Tele(video)tekst – za sprejem informacij iz računalnika na monitorje;

3 – Tele (biro) faks – faksi se uporabljajo za sprejemanje (bodisi od uporabnikov bodisi od podjetij).

V radijskih omrežjih se pogosto uporabljajo naslednje vrste radijskih komunikacijskih signalov:

A1 - AT z manipulacijo zveznih nihanj;

A2 - manipulacija tonsko moduliranih nihanj

ADS - A1 (B1) - OM s 50% nosilcem

AZA - A1 (B1) - OM z 10% nosilcem

AZU1 - A1 (Bl) - OM brez nosilca

3. Značilnosti širjenja radijskih valov različnih razponov.

Razširjanje radijskih valov v miriametrskem, kilometrskem in hektometrskem območju.

Za oceno narave širjenja radijskih valov določenega območja je potrebno poznati električne lastnosti materialnega medija, v katerem se radijski valovi širijo, tj. poznajo in ε A zemlje in atmosfere.

Celoten veljavni zakon v diferencirani obliki določa, da

tiste. Sprememba pretoka magnetne indukcije skozi čas povzroči pojav prevodnega toka in toka premika.

Zapišimo to enačbo ob upoštevanju lastnosti materialnega okolja:

λ < 4 м - диэлектрик

4 m< λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 m – vodnik

Morska voda:

λ < 3 м - диэлектрик

3 cm< λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 m – vodnik

Za miriametrski val (SVD):

λ = 10 ÷ 100 km f = 3 ÷ 30 kHz

in kilometer (DV):

λ = 10 ÷ 1 km f = 30 ÷ 300 kHz

območjih se zemeljsko površje po svojih električnih parametrih približuje idealnemu prevodniku, ionosfera pa ima največjo prevodnost in najmanjšo dielektrično konstanto, tj. blizu dirigenta.

RV območja VLF in LW praktično ne prodrejo v zemljo in ionosfero, saj se odbijajo od njihove površine in se lahko širijo po naravnih radijskih poteh na znatne razdalje brez znatne izgube energije s površinskimi in prostorskimi valovi.

Ker Ker je valovna dolžina VHF območja sorazmerna z razdaljo do spodnje meje ionosfere, koncept enostavnega in površinskega valovanja izgubi pomen.

Za proces širjenja RV se šteje, da poteka v sferičnem valovodu:

Notranja stran - brušena

Zunanja stran (ponoči - sloj E, podnevi - sloj D)

Za valovodni proces so značilne nepomembne izgube energije.

Optimalna avtodom – 25 ÷ 30 km

Kritični RV (močno dušenje) - 100 km ali več.

Inherentni pojavi: - bledenje, radijski odmev.

Fading (zbledenje) kot posledica interference avtodomov, ki so prepotovali različne poti in imajo različne faze na sprejemni točki.

Če so površinski in prostorski valovi v sprejemni točki v protifazi, potem je to bledenje.

Če so prostorski valovi na sprejemni točki v protifazi, potem je to daleč bledenje.

Radijski odmev je ponavljanje signala kot posledica zaporednega sprejema valov, ki se različno številokrat odbijejo od ionosfere (bližnji radijski odmev) ali prispejo na sprejemno točko brez in po obhodu sveta (dalečni radijski odmev).

Zemeljsko površje ima stabilne lastnosti in mesta, kjer se merijo pogoji ionosferske ionizacije, malo vplivajo na širjenje območja RV VLF, potem se količina energije radijskega signala v dnevu, letu in v ekstremne razmere.

V valovnem območju km so tako površinski kot prostorski valovi dobro izraženi (tako podnevi kot ponoči), še posebej pri valovih λ> 3 km.

Površinski valovi pri oddajanju imajo kot višine največ 3-4 stopinje, prostorski valovi pa se oddajajo pod velikimi koti na zemeljsko površino.

Kritični vpadni kot dosega RV km je zelo majhen (podnevi na sloj D, ponoči na sloj E). Žarki z elevacijskimi koti blizu 90° se odbijajo od ionosfere.

Površinski valovi v območju km lahko zaradi svoje dobre uklonske sposobnosti zagotavljajo komunikacijo na razdaljah do 1000 km ali več. Vendar ti valovi z razdaljo močno oslabijo. (Na 1000 km je površinsko valovanje manj intenzivno kot prostorsko valovanje).

Na zelo velikih razdaljah se komunikacija izvaja samo s prostorskim kilometrskim valom. V območju enake intenzivnosti površinskih in prostorskih valov opazimo skorajšnje bledenje. Pogoji za širjenje km valov so praktično neodvisni od sezone, stopnje sončne aktivnosti in šibko odvisni od časa dneva (ponoči je raven signala višja).

Sprejem v območju km je redko poslabšan zaradi močnih atmosferskih motenj (nevihte).

Pri prehodu iz CM (LW) km v območje hektometra se prevodnost zemlje in ionosfere zmanjša. ε zemlje in se približuje ε atmosfere.

Izgube v tleh se povečujejo. Valovi prodrejo globlje v ionosfero. Na razdalji nekaj sto km začnejo prevladovati prostorski valovi, saj površinske absorbira zemlja in oslabi.

Na razdalji približno 50–200 km so površinski in nebesni valovi enake intenzivnosti in lahko pride do bledenja kratkega dosega.

Zmrzovanje je pogosto in globoko.

Ko se λ zmanjšuje, se globina bledenja poveča z zmanjševanjem trajanja blokiranja.

Bledenje je še posebej močno pri λ, večjih od 100 m.

Povprečno trajanje pojemanja se giblje od nekaj sekund (1 s) do nekaj deset sekund.

Pogoji radijske komunikacije v hektometrskem območju (HF) so odvisni od letnega časa in časa dneva, ker sloj D izgine, sloj E pa je višji, v sloju D pa je velika absorpcija.

Domet komunikacije ponoči je večji kot podnevi.

Pozimi se sprejemni pogoji izboljšajo zaradi zmanjšanja elektronske gostote ionosfere in oslabijo v atmosferskih poljih. V mestih je sprejem zelo odvisen od industrijskih motenj.

Širjenjeavtodom- dekametrsko območje (HF).

Pri prehodu iz JZ v VF se izgube v tleh močno povečajo (tla so nepopoln dielektrik), medtem ko se v atmosferi (ionosferi) zmanjšajo.

Površinski valovi na naravnih HF radijskih poteh so majhnega pomena (šibek uklon, močna absorpcija).

2.1.1.Deterministični in naključni signali

Deterministični signal je signal, katerega trenutno vrednost je mogoče v vsakem trenutku predvideti z verjetnostjo, ki je enaka ena.

Primer determinističnega signala (slika 10) so lahko: zaporedja impulzov (katerih oblika, amplituda in časovni položaj so znani), zvezni signali z danimi amplitudno-faznimi razmerji.

Metode za določanje signala MM: analitični izraz (formula), oscilogram, spektralna predstavitev.

Primer MM determinističnega signala.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t+j 0)

Naključni signal– signal, katerega trenutna vrednost v katerem koli trenutku vnaprej ni znana, vendar jo je mogoče predvideti z določeno verjetnostjo, manjšo od ena.

Primer naključnega signala (slika 11) je lahko napetost, ki ustreza človeškemu govoru ali glasbi; zaporedje radijskih impulzov na vhodu radarskega sprejemnika; motnje, hrup.

2.1.2. Signali, ki se uporabljajo v radijski elektroniki

Zvezni po velikosti (nivo) in zvezni po času (zvezni ali analogni) signali– sprejmejo poljubne vrednosti s(t) in obstajajo v katerem koli trenutku v danem časovnem intervalu (slika 12).

Signali zvezni po velikosti in diskretni po času so določene v diskretnih časovnih vrednostih (na štetnem nizu točk), velikost signala s(t) na teh točkah prevzame katero koli vrednost v določenem intervalu vzdolž ordinatne osi.

Izraz "diskreten" označuje metodo določanja signala na časovni osi (slika 13).

Magnitudno kvantizirani in časovno zvezni signali so določene na celotni časovni osi, vendar lahko vrednost s(t) sprejme samo diskretne (kvantizirane) vrednosti (slika 14).

Magnitudno kvantizirani in časovno diskretni (digitalni) signali– vrednosti ravni signala se prenašajo v digitalni obliki (slika 15).

2.1.3. Impulzni signali

utrip- nihanje, ki obstaja le v končnem časovnem obdobju. Na sl. 16 in 17 prikazujeta video impulz in radijski impulz.

Za trapezni video impulz vnesite naslednje parametre:

A – amplituda;

t in – trajanje video impulza;

t f – trajanje fronte;

t cf – trajanje reza.

S р (t)=S in (t)Sin(w 0 t+j 0)

S v (t) – video impulz – ovojnica za radijski impulz.

Sin(w 0 t+j 0) – polnjenje radijskega impulza.

2.1.4. Posebni signali

Preklopna funkcija (enojna funkcija(slika 18) ali funkcija Heaviside) opisuje proces prehoda nekega fizičnega objekta iz stanja "nič" v stanje "enota" in ta prehod se zgodi takoj.

Delta funkcija (Diracova funkcija) je impulz, katerega trajanje teži k nič, medtem ko višina impulza narašča v nedogled. Običajno je reči, da je funkcija skoncentrirana na tej točki.

	(2)
	(3)

Amplitudna modulacija (AM) je v radijski tehniki najenostavnejši in najpogostejši način vključevanja informacij v visokofrekvenčno nihanje. Pri AM se ovojnica amplitud nosilnega nihanja spreminja po zakonu, ki sovpada z zakonom spremembe oddanega sporočila, frekvenca in začetna faza nihanja pa ostaneta nespremenjeni. Zato lahko za amplitudno moduliran radijski signal splošni izraz (3.1) nadomestimo z naslednjim:

Naravo ovojnice A(t) določa vrsta sporočila, ki se prenaša.

Z neprekinjeno komunikacijo (sl. 3.1, a) modulirano nihanje prevzame obliko, prikazano na sl. 3.1, b. Ovojnica A(t) po obliki sovpada z modulacijsko funkcijo, to je s posredovanim sporočilom s(t). Slika 3.1, b je zgrajena ob predpostavki, da je konstantna komponenta funkcije s(t) enaka nič (v nasprotnem primeru amplituda nosilnega nihanja med modulacijo morda ne sovpada z amplitudo nemoduliranega nihanja). Največja sprememba A(t) "dol" ne more biti večja od . Sprememba »navzgor« je načeloma lahko večja.

Glavni parameter amplitudno moduliranega nihanja je modulacijski koeficient.

riž. 3.1. Modulirajoča funkcija (a) in amplitudno modulirano nihanje (b)

Opredelitev tega koncepta je še posebej jasna za tonsko modulacijo, ko je modulacijska funkcija harmonično nihanje:

Ovojnico moduliranega nihanja lahko predstavimo v obliki

kjer je frekvenca modulacije; - začetna faza ovojnice; - sorazmernostni koeficient; - amplituda spremembe ovojnice (slika 3.2).

riž. 3.2. Nihanje, modulirano po amplitudi s harmonično funkcijo

riž. 3.3. Amplituda nihanja modulirana z nizom impulzov

Odnos

imenujemo modulacijski koeficient.

Tako je trenutna vrednost moduliranega nihanja

Pri neizkrivljeni modulaciji se amplituda nihanja spreminja od najmanjše do največje.

V skladu s spremembo amplitude se spreminja tudi povprečna moč moduliranega nihanja v obdobju visoke frekvence. Vrhovi ovojnice ustrezajo moči, ki je 1–4-krat večja od moči nosilnega nihanja.Povprečna moč v modulacijski periodi je sorazmerna srednjemu kvadratu amplitude A(t):

Ta moč presega moč nosilne vibracije le za faktor. Tako je pri 100% modulaciji (M = 1) temenska moč enaka povprečni moči (moč nosilne vibracije je označena z). To kaže, da povečanje moči nihanja zaradi modulacije, ki v bistvu določa pogoje za izolacijo sporočila ob sprejemu, tudi pri največji globini modulacije ne presega polovice moči nosilnega nihanja.

Pri prenosu diskretnih sporočil, ki so izmenični impulzi in premori (slika 3.3, a), ima modulirano nihanje obliko zaporedja radijskih impulzov, prikazanih na sl. 3.3, b. To pomeni, da so faze visokofrekvenčnega polnjenja v vsakem od impulzov enake kot takrat, ko so "izrezani" iz enega zveznega harmoničnega nihanja.

Samo pod tem pogojem, prikazanim na sl. 3.3b lahko zaporedje radijskih impulzov interpretiramo kot nihanje, modulirano le po amplitudi. Če se faza spreminja od impulza do impulza, potem bi morali govoriti o mešani amplitudno-kotni modulaciji.