Grundläggande parametrar för radiosignalen. Modulation

§ Signalstyrka

§ Specifik signalenergi

§ Signalens varaktighet T bestämmer tidsintervallet under vilket signalen existerar (annat än noll);

§ Dynamiskt omfång är förhållandet mellan den högsta momentana signaleffekten och den lägsta:

§ Signalspektrumbredd F - frekvensband inom vilket huvudsignalenergin är koncentrerad;

§ Signalbasen är produkten av signalens varaktighet och bredden på dess spektrum. Det bör noteras att det finns ett omvänt proportionellt förhållande mellan spektrumets bredd och varaktigheten av signalen: ju kortare spektrum, desto längre varaktighet för signalen. Sålunda förblir storleken på basen praktiskt taget oförändrad;

§ Signal-brusförhållandet är lika med förhållandet mellan den användbara signaleffekten och bruseffekten (S/N eller SNR);

§ Mängden överförd information kännetecknar kommunikationskanalens bandbredd som krävs för signalöverföring. Det definieras som produkten av signalspektrumets bredd och dess varaktighet och dynamiska omfång

§ Energieffektivitet (potentiell brusimmunitet) kännetecknar tillförlitligheten hos de överförda data när signalen exponeras för additivt vitt Gaussiskt brus, förutsatt att symbolsekvensen återställs av en idealisk demodulator. Det bestäms av det minsta signal-brusförhållandet (Eb/N 0), som är nödvändigt för att överföra data genom en kanal med en felsannolikhet som inte överstiger en specificerad. Energieffektiviteten bestämmer den lägsta sändareffekt som krävs för acceptabel drift. En egenskap hos moduleringsmetoden är energieffektivitetskurvan - beroendet av felsannolikheten för en ideal demodulator på signal-brusförhållandet (Eb/N 0).

§ Spektral effektivitet - förhållandet mellan dataöverföringshastigheten och den använda bandbredden för radiokanalen.

• AMPS: 0,83
• NMT: 0,46
• GSM: 1,35

§ Motstånd mot överföringskanalens påverkan kännetecknar tillförlitligheten hos den överförda datan när signalen utsätts för specifika distorsioner: fädning på grund av flervägsutbredning, bandbegränsning, frekvens- eller tidskoncentrerad störning, Dopplereffekten, etc.

§ Krav på förstärkarens linjäritet. För att förstärka signaler med vissa typer av modulering kan olinjära klass C-förstärkare användas, vilket avsevärt kan minska sändarens effektförbrukning, samtidigt som nivån av utombandsstrålning inte överstiger tillåtna gränser. Denna faktor är särskilt viktig för mobila kommunikationssystem.

Modulation(Latin modulatio - regelbundenhet, rytm) - processen att ändra en eller flera parametrar för en högfrekvent bärvågsoscillation enligt lagen om en lågfrekvent informationssignal (meddelande).

Överförd informationär inbäddad i styrsignalen (modulerande) och rollen som informationsbärare utförs av en högfrekvent oscillation, kallad bärvåg. Modulering är därför processen att "landa" en informationssvängning på en känd bärare.

Som ett resultat av modulering överförs spektrumet för den lågfrekventa styrsignalen till högfrekvensområdet. Detta gör det möjligt att, när du organiserar sändningar, konfigurera funktionen för alla mottagande och sändande enheter vid olika frekvenser så att de inte "stör" varandra.

Oscillationer av olika former kan användas som bärare (rektangulära, triangulära, etc.), men oftast används harmoniska svängningar. Beroende på vilken av parametrarna för bärvågsoscillationen som ändras, särskiljs typen av modulering (amplitud, frekvens, fas, etc.). Modulering med en diskret signal kallas digital modulering eller nyckling.

Föreläsning nr 5

T Utgåva nr 2: Sändning av DISKRETA meddelanden

Föreläsningens ämne: DIGITALA RADIOSIGNALER OCH DERAS

Funktioner Introduktion

För dataöverföringssystem är kravet på tillförlitligheten hos den överförda informationen viktigast. Detta kräver logisk kontroll av processerna för att överföra och ta emot information. Detta blir möjligt när man använder digitala signaler för att överföra information i en formaliserad form. Sådana signaler gör det möjligt att förena elementbasen och använda korrigeringskoder som ger en betydande ökning av brusimmunitet.

2.1. Förstå diskret meddelandeöverföring

För närvarande används vanligtvis så kallade digitala kommunikationskanaler för att överföra diskreta meddelanden (data).

Bärare av meddelanden i digitala kanaler anslutningar kommer ut digitala signaler eller radiosignaler om radiokommunikationslinjer används. Informationsparametrarna i sådana signaler är amplitud, frekvens och fas. Bland de relaterade parametrarna upptar fasen av harmonisk svängning en speciell plats. Om fasen för den harmoniska svängningen på den mottagande sidan är exakt känd och denna används under mottagning, så övervägs en sådan kommunikationskanal sammanhängande. I osammanhängande kommunikationskanal, fasen för den harmoniska svängningen på den mottagande sidan är okänd och det anses vara fördelad enligt en enhetlig lag i området från 0 till 2  .

Processen att omvandla diskreta meddelanden till digitala signaler vid sändning och digitala signaler till diskreta meddelanden vid mottagning förklaras i Fig. 2.1.

Fig.2.1. Processen att konvertera diskreta meddelanden under överföringen

Här tas hänsyn till att de grundläggande operationerna för att konvertera ett diskret meddelande till en digital radiosignal och tillbaka motsvarar den generaliserade strukturdiagram diskret meddelandeöverföringssystem som diskuterades i den senaste föreläsningen (visas i fig. 3). Låt oss överväga huvudtyperna av digitala radiosignaler.

2.2. Egenskaper för digitala radiosignaler

2.2.1. Amplitude-shift keying (AMK) radiosignaler

Amplitudmanipulation (AMn). Analytiskt uttryck av AMn-signalen för varje ögonblick i tiden t har formen:

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

Var A 0 ,   Och  - amplitud, cyklisk bärvågsfrekvens och initial fas för AMn-radiosignalen,  (t) – primär digital signal (diskret informationsparameter).

En annan form av notation används ofta:

s 1 (t) = 0 på  = 0,

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

som används vid analys av AMN-signaler över en tidsperiod lika med ett klockintervall T. Därför att s(t) = 0 kl  = 0, då kallas AMn-signalen ofta för en signal med en passiv paus. Implementeringen av AMS-radiosignalen visas i fig. 2.2.

Fig.2.2. Implementering av AMS radiosignal

Den spektrala tätheten hos AMS-signalen har både kontinuerliga och diskreta komponenter vid bärvågsfrekvensen   . Den kontinuerliga komponenten representerar den spektrala tätheten hos den sända digitala signalen  (t), överförs till bärvågsfrekvensområdet. Det bör noteras att den diskreta komponenten av spektraltätheten endast inträffar när den initiala fasen av signalen är konstant  . I praktiken är detta villkor som regel inte uppfyllt, eftersom som ett resultat av olika destabiliserande faktorer ändras den initiala fasen av signalen slumpmässigt i tiden, d.v.s. är en slumpmässig process  (t) och är jämnt fördelad i intervallet [-  ;  ]. Närvaron av sådana fasfluktuationer leder till att den diskreta komponenten blir "suddig". Denna funktion är också typisk för andra typer av manipulation. Figur 2.3 visar den spektrala tätheten för AMn-radiosignalen.

Fig.2.3. Spektral densitet för AMn-radiosignalen med en slumpmässig, enhetlig

fördelade i intervallet [-  ;  ] inledande fas 

Medeleffekten för AMn-radiosignalen är lika med
. Denna effekt är jämnt fördelad mellan de kontinuerliga och diskreta komponenterna av den spektrala tätheten. Följaktligen, i en AMS-radiosignal står den kontinuerliga komponenten på grund av överföringen av användbar information för endast hälften av den effekt som sändas ut av sändaren.

För att generera en AMS-radiosignal används vanligtvis en enhet som ger en förändring i amplitudnivån för radiosignalen enligt lagen för den sända primära digitala signalen  (t) (till exempel en amplitudmodulator).

Baserat på principen om informationsutbyte finns det tre typer av radiokommunikation:

simplex radiokommunikation;

duplex radiokommunikation;

halvduplex radiokommunikation.

Baserat på den typ av utrustning som används i radiokommunikationskanalen särskiljs följande typer av radiokommunikation:

telefon;

telegraf;

dataöverföring;

faksimil;

tv;

radiosändningar.

Baserat på vilken typ av radiokommunikationskanaler som används särskiljs följande typer av radiokommunikation:

ytvåg;

troposfärisk;

jonosfärisk;

meteorisk;

Plats;

radiorelä.

Typer av dokumenterad radiokommunikation:

telegrafkommunikation;

dataöverföring;

faxkommunikation.

Telegrafkommunikation - för överföring av meddelanden i form av alfanumerisk text.

Dataöverföring för utbyte av formaliserad information mellan en person och en dator eller mellan datorer.

Faxkommunikation för överföring av stillbilder med elektriska signaler.

1 – Telex – för utbyte av skriftlig korrespondens mellan organisationer och institutioner som använder skrivmaskiner med elektroniskt minne;

2 – Tele (video) text – för att ta emot information från datorn till bildskärmar;

3 – Tele (byrå) fax – faxmaskiner används för att ta emot (antingen från användare eller från företag).

Följande typer av radiokommunikationssignaler används ofta i radionätverk:

A1 - AT med manipulation av kontinuerliga svängningar;

A2 - manipulering av tonmodulerade svängningar

ADS - A1 (B1) - OM med 50 % bärare

AZA - A1 (B1) - OM med 10 % bärare

AZU1 - A1 (Bl) - OM utan bärare

3. Funktioner för utbredningen av radiovågor av olika intervall.

Utbredning av radiovågor i myriameter-, kilometer- och hektometerområdena.

För att bedöma arten av utbredningen av radiovågor inom ett visst område är det nödvändigt att känna till de elektriska egenskaperna hos materialmediet i vilket radiovågen utbreder sig, d.v.s. känna till och ε A av jorden och atmosfären.

Den sammanlagda gällande lagen i differentierad form anger att

de där. En förändring i magnetiskt induktionsflöde över tiden orsakar uppkomsten av ledningsström och förskjutningsström.

Låt oss skriva denna ekvation med hänsyn till egenskaperna hos materialmiljön:

λ < 4 м - диэлектрик

4 m< λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 m – ledare

Havsvatten:

λ < 3 м - диэлектрик

3 cm< λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 m – ledare

För myriametervåg (SVD):

λ = 10 ÷ 100 km f = 3 ÷ 30 kHz

och kilometer (DV):

λ = 10 ÷ 1 km f = 30 ÷ 300 kHz

intervaller, närmar sig jordytan i sina elektriska parametrar en idealisk ledare, och jonosfären har den högsta konduktiviteten och den lägsta dielektricitetskonstanten, d.v.s. nära konduktören.

RV-områdena VLF och LW penetrerar praktiskt taget inte jorden och jonosfären, reflekteras från deras yta och kan fortplanta sig längs naturliga radiovägar över avsevärda avstånd utan betydande energiförlust genom yt- och rumsvågor.

Därför att Eftersom våglängden för VHF-området står i proportion till avståndet till jonosfärens nedre gräns, förlorar begreppet en enkel våg och ytvåg sin betydelse.

RV-utbredningsprocessen anses förekomma i en sfärisk vågledare:

Inre sida - mark

Extern sida (på natten - lager E, under dagen - lager D)

Vågledarprocessen kännetecknas av obetydliga energiförluster.

Optimal husbil – 25 ÷ 30 km

Kritisk husbil (stark dämpning) - 100 km eller mer.

Inneboende fenomen: - blekning, radioeko.

Fading (fading) som ett resultat av störningar från husbilar som har färdats olika vägar och har olika faser vid mottagningspunkten.

Om yt- och rumsvågorna är i motfas vid mottagningspunkten, så bleknar detta.

Om de rumsliga vågorna är i motfas vid mottagningspunkten är detta långt borta.

Ett radioeko är en upprepning av en signal som ett resultat av sekventiell mottagning av vågor som reflekteras från jonosfären ett annat antal gånger (nära radioeko) eller anländer till mottagningspunkten utan och efter att ha cirkulerat jordklotet (fjärrradioeko).

Jordytan har stabila egenskaper, och de platser där jonosfäriska joniseringsförhållanden mäts har liten effekt på utbredningen av RV VLF-området, då ändras mängden radiosignalenergi lite under loppet av en dag, ett år och i extrema förhållanden.

I km-vågområdet är både yt- och rumsvågor väl uttryckta (både dag och natt), speciellt vid vågor λ> 3 km.

Ytvågor när de emitteras har en höjdvinkel på högst 3-4 grader, och rumsliga vågor emitteras i stora vinklar mot jordens yta.

Den kritiska infallsvinkeln för RV km-räckvidden är mycket liten (dagtid på lager D och på natten på lager E). Strålar med höjdvinklar nära 90° reflekteras från jonosfären.

Ytvågor i km-räckvidden kan på grund av sin goda diffraktionsförmåga ge kommunikation över avstånd på upp till 1000 km eller mer. Dessa vågor dämpas dock kraftigt med avståndet. (Vid 1000 km är ytvågen mindre intensiv än den rumsliga vågen).

Över mycket långa avstånd sker kommunikationen endast av rumslig km-våg. I området med lika intensitet av yt- och rumsvågor observeras nära-fading. Förutsättningarna för utbredning av km-vågor är praktiskt taget oberoende av årstid, nivån på solaktiviteten och beror svagt på tiden på dagen (på natten är signalnivån högre).

Mottagningen inom km-räckvidden försämras sällan på grund av starka atmosfäriska störningar (åskväder).

Vid förflyttning från CM (LW) km till hektometerområdet minskar jordens och jonosfärens ledningsförmåga. ε av jorden och närmar sig ε av atmosfären.

Förlusterna i marken ökar. Vågorna tränger djupare in i jonosfären. På ett avstånd av flera hundra km börjar rumsliga vågor dominera, eftersom ytan absorberas av jorden och försvagas.

På ett avstånd av cirka 50-200 km är yt- och himmelvågor lika i intensitet och kortdistansfading kan förekomma.

Frysning är frekvent och djup.

När λ minskar ökar fädningsdjupet med minskande varaktighet av blockering.

Fading är särskilt stark vid λ större än 100 m.

Den genomsnittliga varaktigheten av toning varierar från flera sekunder (1 sek) till flera tiotals sekunder.

Radiokommunikationsförhållandena i hektometerområdet (HF) beror på årstid och tid på dygnet, eftersom lager D försvinner, och lager E är högre, och i lager D finns en stor absorption.

Kommunikationsräckvidden på natten är större än på dagen.

På vintern förbättras mottagningsförhållandena på grund av en minskning av elektrontätheten i jonosfären och försvagas i atmosfäriska fält. I städer är mottagningen starkt beroende av industriella störningar.

SpridningRV- dekameterområde (HF).

När man flyttar från SW till HF ökar förlusterna i marken kraftigt (marken är ett imperfekt dielektrikum), medan de i atmosfären (jonosfären) minskar.

Ytvågor på naturliga HF-radiovägar är av låg betydelse (svag diffraktion, stark absorption).

2.1.1.Deterministiska och slumpmässiga signaler

Deterministisk signalär en signal vars momentana värde när som helst kan förutsägas med en sannolikhet lika med ett.

Ett exempel på en deterministisk signal (fig. 10) kan vara: sekvenser av pulser (vars form, amplitud och tidsposition är kända), kontinuerliga signaler med givna amplitud-fasförhållanden.

Metoder för att specificera en MM-signal: analytiskt uttryck (formel), oscillogram, spektral representation.

Ett exempel på en MM för en deterministisk signal.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t+j 0)

Slumpmässig signal– en signal vars momentana värde vid något tillfälle är okänt i förväg, men som kan förutsägas med en viss sannolikhet, mindre än en.

Ett exempel på en slumpmässig signal (fig. 11) kan vara en spänning som motsvarar mänskligt tal eller musik; sekvens av radiopulser vid radarmottagarens ingång; störningar, buller.

2.1.2. Signaler som används i radioelektronik

Kontinuerliga i magnitud (nivå) och kontinuerliga i tid (kontinuerliga eller analoga) signaler– ta alla värden s(t) och existera när som helst i ett givet tidsintervall (fig. 12).

Kontinuerliga i magnitud och diskreta i tidssignaler specificeras vid diskreta tidsvärden (på en räknebar uppsättning punkter), storleken på signalen s(t) vid dessa punkter antar vilket värde som helst i ett visst intervall längs ordinataaxeln.

Termen "diskret" kännetecknar metoden att specificera en signal på tidsaxeln (fig. 13).

Magnitudkvantiserade och tidskontinuerliga signalerär specificerade på hela tidsaxeln, men värdet s(t) kan bara ta diskreta (kvantiserade) värden (fig. 14).

Magnitudkvantiserade och tidsdiskreta (digitala) signaler– värdena för signalnivåer sänds i digital form (bild 15).

2.1.3. Pulssignaler

Puls- en svängning som endast existerar inom en begränsad tidsperiod. I fig. 16 och 17 visar en videopuls och en radiopuls.

För en trapetsformad videopuls, ange följande parametrar:

A – amplitud;

t och – videopulslängd;

t f – främre varaktighet;

t cf – klipptid.

S р (t)=S i (t)Sin(w 0 t+j 0)

S i (t) – videopuls – envelopp för en radiopuls.

Sin(w 0 t+j 0) – fyller radiopulsen.

2.1.4. Särskilda signaler

Växlingsfunktion (enkelfunktion(Fig. 18) eller Heaviside-funktion) beskriver övergångsprocessen för ett fysiskt objekt från ett tillstånd "noll" till ett "enhet", och denna övergång sker omedelbart.

Deltafunktion (Dirac-funktion)är en puls vars varaktighet tenderar till noll, medan höjden på pulsen ökar oändligt. Det är vanligt att säga att funktionen är koncentrerad vid denna punkt.

	(2)
	(3)

Amplitudmodulering (AM) är det enklaste och vanligaste sättet inom radioteknik för att införliva information i en högfrekvent oscillation. Med AM ändras enveloppen för bärvågsoscillationens amplituder enligt en lag som sammanfaller med ändringslagen i det sända meddelandet, medan frekvensen och initialfasen av oscillationen bibehålls oförändrade. Därför, för en amplitudmodulerad radiosignal, kan det allmänna uttrycket (3.1) ersättas med följande:

Typen av kuvert A(t) bestäms av typen av meddelande som sänds.

Med kontinuerlig kommunikation (fig. 3.1, a) tar den modulerade svängningen den form som visas i fig. 3.1, b. Enveloppen A(t) sammanfaller i form med moduleringsfunktionen, dvs med det sända meddelandet s(t). Figur 3.1, b är konstruerad under antagandet att den konstanta komponenten av funktionen s(t) är lika med noll (i det motsatta fallet kanske amplituden för bärvågsoscillationen under moduleringen inte sammanfaller med amplituden för den omodulerade svängningen). Den största förändringen i A(t) "ner" kan inte vara större än . Förändringen ”uppåt” kan i princip vara större.

Huvudparametern för amplitudmodulerad oscillation är moduleringskoefficienten.

Ris. 3.1. Modulerande funktion (a) och amplitudmodulerad oscillation (b)

Definitionen av detta koncept är särskilt tydlig för tonal modulering, när moduleringsfunktionen är en harmonisk svängning:

Enveloppen för den modulerade oscillationen kan representeras i formen

var är moduleringsfrekvensen; - inledande fas av kuvertet; - Proportionalitetskoefficient. - amplitud för enveloppändring (Fig. 3.2).

Ris. 3.2. Oscillation modulerad i amplitud av en harmonisk funktion

Ris. 3.3. Oscillationsamplitud modulerad av ett pulståg

Attityd

kallas moduleringskoefficienten.

Således är det momentana värdet av den modulerade svängningen

Med oförvrängd modulering varierar oscillationens amplitud från minimum till maximum.

I enlighet med ändringen i amplitud ändras också medeleffekten för den modulerade svängningen under perioden med hög frekvens. Enveloppens toppar motsvarar en effekt 1–4 gånger större än effekten av bärvågsoscillationen. Medeleffekten över moduleringsperioden är proportionell mot medelkvadraten på amplituden A(t):

Denna effekt överstiger kraften hos bärarvibrationen med endast en faktor. Sålunda, med 100 % modulering (M = 1), är toppeffekten lika med och medeleffekten (kraften hos bärvågsvibrationen betecknas med). Detta visar att ökningen av oscillationseffekten orsakad av modulering, som i grunden bestämmer villkoren för att isolera ett meddelande vid mottagning, inte ens vid det maximala moduleringsdjupet överstiger halva effekten av bärvågsoscillationen.

Vid sändning av diskreta meddelanden, som är alternerande pulser och pauser (Fig. 3.3, a), tar den modulerade oscillationen formen av en sekvens av radiopulser som visas i Fig. 3.3, b. Detta innebär att faserna för högfrekvent fyllning i var och en av pulserna är desamma som när de "klipps" från en kontinuerlig harmonisk svängning.

Endast under detta tillstånd som visas i fig. 3.3b kan sekvensen av radiopulser tolkas som en oscillation modulerad endast i amplitud. Om fasen ändras från puls till puls, bör vi prata om blandad amplitud-vinkelmodulering.