19.2 Формирование офм

Для получения ОФМ можно применить любую схему формирования ФМн. Однако перед фазовым модулятором в цепь модулирующей дискретной функции включается специальное перекодирующее устройство, обеспечивающее требуемое правило формирования ОФМ: изменение фазы несущей частоты происходит только при подаче единичных элементов дискретной последовательности. Это перекодирующее устройство называют относительным кодером.

Функциональная схема относительного кодера для однополярной дискретной последовательности показана на рис. 19.2,а. Кодер содержит два блока: сумматор по модулю два М2 и линию задержки на длительность дискретного элемента сигнала . Работу схемы можно проследить по графикам рис. 19.2, б, где цифрами отмечена форма сигналов в различных точках схемы. На вход 1 поступает последовательность дискретных однополярных сигналов, которые обозначены как 0 и 1.

Суммируя дискретные сигналы на входе 1 и выходе линии задержки 2, получаем выходной сигнал 3. Наклонными стрелками на графиках показана задержка выходного сигнала 3 на время для получения сигнала 2.

Легко проследить, что если выходной сигнал относительного кодера 3 подать на фазовый модулятор, то фаза несущей частоты на его выходе будет меняться согласно правилу ОФМ. Заметим, что при ФМн фаза несущей меняется при переходе модулирующей функции от 0 к 1 и обратном переходе. На временной диаграмме звёздочкой отмечены моменты времени, где должна меняться фаза при ОФМ (график 1) и где она меняется, если на ФМ подать управляющий сигнал с выхода относительного декодера (график 3). Они совпадают.

При подаче сигнала с относительного кодера на фазовый модулятор необходимо учитывать, какой модулирующий сигнал (однополярный или двухполярный), требуется для ФМ. В необходимых случаях ставится согласующее устройство.

Рисунок 19.2 – Относительный кодер:

а) функциональная схема;

б) временные диаграммы, поясняющие работу.

ЛЕКЦИЯ 20: «НЕКОГЕРЕНТНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ СИГНАЛОВ»

20.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ – процесс восстановления модулирующего сигнала из модулированного высокочастотного колебания.

Детектирование, при котором учитывается начальная фаза принимаемого модулированного сигнала, называется КОГЕРЕНТНЫМ; не учитывается – НЕКОГЕРЕНТНЫМ.

АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР (АД) – устройство, с помощью которого детектируется АМ сигнал.

Поскольку спектр модулированного сигнала содержит только высокочастотные компоненты, и в нем отсутствуют низкочастотные спектральные составляющие модулирующего сигнала, то линейные цепи для детектирования непригодны (они не изменяют спектральный состав сигнала). В большинстве случаев детекторы представляют собой нелинейные цепи.

Рисунок 1 – Структурная схема некогерентного АД.

Детектор состоит из двух элементов: НЭ и ФНЧ. НЭ преобразует спектр входного модулированного сигнала так, что в спектре выходного тока появляются составляющие модулирующего сигнала. ФНЧ выделяет эти составляющие и предотвращает прохождение на выход детектора высокочастотных составляющих.

Простой и широко распространенной является схема диодного АД.

Рисунок 2 – Принципиальная схема диодного АД.

В качестве НЭ используется диод. Диод может работать в двух различных режимах: без отсечки тока (на него подается входное воздействие малой амплитуды – не более 100…300 мВ) и с отсечкой тока (на него подается входное воздействие большой амплитуды – более 500…1000 мВ). Детектор, работающий в режиме малого сигнала, называется КВАДРАТИЧНЫМ, поскольку начальный участок ВАХ диода хорошо аппроксимируется полиномом второй степени. Детектор, работающий в режиме сильного сигнала, называется ЛИНЕЙНЫМ, поскольку основным рабочим участком ВАХ диода является линейный.

Это подтверждается ХАРАКТЕРИСТИКОЙ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ, которая представляет собой зависимость постоянного напряжения на нагрузке детектора от амплитуды немодулированного высокочастотного сигнала.

Рисунок 3 – Характеристика детектирования диодного АД.

В качестве ФНЧ, который является нагрузкой детектора, обычно служит параллельная цепочка , значения элементов которой подбираются так, чтобы сопротивление резистора было значительно больше емкостного сопротивления конденсатора для токов высокой частоты и значительно меньше его для токов низкой частоты:

.

Тогда выходное напряжение детектора будет создаваться только низкочастотными составляющими тока, а высокочастотные составляющие окажутся отфильтрованы. Чтобы убрать постоянную составляющую, содержащуюся в напряжении, сигнал на следующие за детектором элементы подают через разделительный конденсатор. В результате получается напряжениебез постоянной составляющей.

20.2 КВАДРАТИЧНЫЙ ДИОДНЫЙ АД

Характеристику диода можно представить в виде:

.

Подставим в приведенную зависимость выражение модулированного сигнала :

Рисунок 4 – Спектр АМ сигнала на входе детектора и тока диода.

Низкочастотная переменная составляющая тока диода содержит два слагаемых: полезное, воспроизводящее передаваемый сигнал (с частотой ), и вредное, которое появилось вследствие квадратичного характера детектирования (с частотой). Следовательно, возникают нелинейные искажения выходного сигнала. При детектировании сигнала, модулированного спектром частот, в детекторе также возникают комбинационные частоты, что еще больше увеличивает искажения сигнала.

Квадратичное детектирование находит ограниченное применение (в измерительной технике).

20.3 ЛИНЕЙНЫЙ ДИОДНЫЙ АД

Представим ВАХ диода в виде линейно-ломаной. Под действием входного напряжение ток в цепи диода представляет собой импульсы, следующие с частотой несущей . До момента временимодуляция отсутствует, и амплитуда импульсов не меняется. В моментвключена модуляция, и амплитуда импульсов начинает изменяться с частотой. Последовательность немодулированных импульсов тока через диод может быть представлена в виде ряда Фурье с постоянной составляющей. Модель тока с моментабудет представлять собой произведение ряда Фурье и множителя модуляции:

.

В спектре такого тока будет постоянная составляющая, составляющая несущей частоты , ее гармоники и комбинационные частоты. В составе спектра появляется низкочастотная составляющая, которую и выделяет ФНЧ.

При линейном детектировании нелинейные искажения информационного сигнала минимальны, а коэффициент передачи детектора , равный отношению постоянной составляющей выходного напряженияк амплитуде немодулированного несущего колебания,не зависит от амплитуды несущей:

,

где - угол отсечки тока диода.

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы линейного диодного АД.

Рисунок 6 – Спектральные диаграммы АМ сигнала на входе детектора, тока диода и выходного сигнала.

Линейный АД применяется как в профессиональной, так и в бытовой радиоаппаратуре.

ЛЕКЦИЯ 21: «СИНХРОННОЕ (КОГЕРЕНТНОЕ) ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АМ СИГНАЛОВ»

Диодный детектор дает хорошие результаты при детектировании АМ сигнала с высоким уровнем (несколько вольт). Для детектирования АМ сигналов с малым уровнем (десятые доли вольта или меньше), БМ и ОМ сигналов применяют синхронное (когерентное) детектирование, при котором напряжение на выходе детектора зависит не только от амплитуды, но и от фазы входного сигнала.

Синхронным называется детектирование высокочастотных колебаний, при котором используется специально выделенное несущее колебание.

Синхронный детектор (СД) можно рассматривать как преобразователь частоты при частоте гетеродина, совпадающей с частотой сигнала. Поэтому он называется синхронным.

Рисунок 21.1 – Структурная схема СД.

- опорный генератор (гетеродин). Формирует (генерирует) опорный сигнал, совпадающий по частоте и фазе с несущей АМ сигнала.

ФАПЧ – система фазовой автоподстройки частоты опорного генератора. Выделяет несущую сигнала, которая используется для подстройки частоты и начальной фазы гетеродина.

- перемножитель. Перемножает АМ и опорный сигналы. Сигнал на его выходе:

В качестве перемножителя может быть использован балансный модулятор, специальный аналоговый перемножитель на микросхеме.

ФНЧ – фильтр нижних частот. Выделяет низкочастотные составляющие этого сигнала. Сигнал на выходе ФНЧ:

В спектре БМ и ОМ сигналов несущая отсутствует. При этом для получения опорного сигнала применяются два технических решения:

- вместе с БМ и ОМ сигналами передается пилот-сигнал, представляющий собой остаток несущей;

- при полностью подавленной несущей используется местная несущая, формируемая на приеме специальным высокостабильным генератором несущей.

Достоинства:

- такое детектирование линейное, т.е. имеется прямая пропорциональная зависимость между значениями выходного напряжения детектора и огибающей входного АМ сигнала;

- СД можно использовать для детектирования ФМ сигналов, т.к. он реагирует на фазу входного сигнала;

- отсутствие эффекта подавления слабого сигнала сильной помехой (равенство отношений сигнал-помеха на входе и выходе детектора);

- СД характеризуется частотной избирательностью (чем больше разность частот сигнала и помехи, тем меньшее напряжение помехи создается на выходе СД).

Недостаток:

- значительные технические трудности обеспечения синхронности и синфазности опорного и принимаемого сигналов.

При несовпадении фаз выходной сигнал оказывается умноженным на косинус фазовой ошибки:

При напряжение максимально; приамплитуда сигнала занижается; а принапряжение равно нулю, что делает невозможным прием сигнала.

При несовпадении частот сигнал демодулятора оказывается умноженным на гармоническое колебание с разностной частотой (начинает пульсировать с частотой биений ):

ЛЕКЦИЯ 22: «ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЧМ СИГНАЛОВ»

22.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЧАСТОТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Частотный детектор (ЧД) – устройство, напряжение на выходе которого зависит от частоты входного сигнала.

Для восстановления модулирующего сигнала из ЧМ сигнала только нелинейного устройства недостаточно, т.к. в реакции любого НЭ на ЧМ сигнал имеются только модулированные гармоники частоты несущей и нет низкочастотных составляющих.

Для доказательства рассмотрим нелинейное преобразование ЧМ сигнала. Пусть ВАХ НЭ аппроксимирована полиномом:

,

где .

Оказывается, что ток НЭ не содержит информационной низкочастотной компоненты:

Следовательно, требуется дополнительное преобразование ЧМ сигнала. ЧД работают по принципу преобразования ЧМ в другой вид модуляции с последующим детектированием преобразованного вида модуляции. В зависимости от характера преобразований ЧМ различают частотно-амплитудные, частотно-фазовые и частотно-импульсные детекторы.

В частотно-амплитудных детекторах изменение частоты сигнала преобразуется в изменение амплитуды, которое выделяется АД. В частотно-фазовых детекторах изменение частоты преобразуется в изменение фазового сдвига между двумя напряжениями с последующим фазовым детектированием. В частотно-импульсных детекторах ЧМ сигнал преобразуется в один из видов импульсной модуляции с последующим детектированием с помощью ФНЧ или счетной схемы.

22.2 ЧАСТОТНО-АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Рисунок 22.1 – Принципиальная схема ЧД с расстроенным колебательным контуром.

Преобразование ЧМ сигнала осуществляется в колебательном контуре, расстроенном относительно несущей частоты сигнала (). Величину расстройки контура выбирают больше девиации частоты:. При изменении частоты принимаемого сигналаизменяется коэффициент передачи контура по напряжению, в результате изменяется амплитуда напряжения на контуреи ЧМ колебание превращается в амплитудно-частотно-модулированное (АЧМ). Напряжение с контура подается на линейный АД, на выходе которого получается низкочастотный сигнал.

Рисунок 22.2 – Временные диаграммы работы ЧД, если рабочая точка выбрана на левой ветви резонансной характеристики контура ().

Детекторная характеристика рассмотренного ЧД, представляющая собой зависимость постоянного напряжения на выходе детектора от частотынемодулированного высокочастотного сигнала на его входе, представлена на рисунке 22.3.

Рисунок 22.3 – Детекторная характеристика рассмотренного ЧД: 1 - ; 2 -.

Недостаток:

- детекторная характеристика имеет значительную нелинейность (т.к. одиночный колебательный контур имеет незначительный линейный участок резонансной характеристики), т.е. характерны значительные несимметричные нелинейные искажения исходного сигнала.

Уменьшения нелинейных искажений добиваются уменьшением добротности контура или применением более сложных схем детекторов.

Рисунок 22.4 – Принципиальная схема ЧД с двумя расстроенными контурами.

Такой ЧД представляет собой два ЧД с одиночными контурами, расстроенных симметрично относительно несущей частоты входного сигнала. -контур первого ЧД настроен на частоту, а-контур – на частоту.

В процессе работы ЧД можно выделить три основных случая:

- частота детектируемого сигнала равна несущей частоте . В этом случае амплитуды напряжений на контурах одинаковы, при этом токи через диоды также равныи создают на резисторахиодинаковые напряжения, а т.к. токи имеют встречное направление, то напряжение на выходе детектора, равно разности этих напряжений;

- частота детектируемого сигнала выше несущей частоты . В этом случае:,,,;

- частота детектируемого сигнала ниже несущей частоты . В этом случае:,,,.

Рисунок 22.5 – Резонансные кривые расстроенных контуров.

Детекторная характеристика рассмотренного ЧД представлена на рисунке 22.6.

Рисунок 22.6 - Детекторная характеристика рассмотренного ЧД : 1 – частоты настройки первого и второго контуров: и; 2 – частоты настройки первого и второго контуров:и.

Достоинства:

- детекторная характеристика имеет значительный линейный участок, благодаря чему детектирование происходит без искажений.

Недостаток:

- сложность в изготовлении и настройке.

ЛЕКЦИЯ 23: «ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ФМ СИГНАЛОВ»

Фазовый детектор (ФД) – устройство, в котором входной ФМ сигнал преобразуется в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции фазы.

Все ФД являются когерентными (требуют обязательного наличия синхронного с частотой сигнала опорного колебания), т.к. выявить фазовый сдвиг в ФМ сигнале можно только путем его сравнения с немодулированным колебанием (опорным). Начальные фазы ФМ сигнала и опорного колебания в общем случае могут и не совпадать. Структурная схема ФД аналогична схеме СД.

23.1 ОДНОТАКТНЫЙ ДИОДНЫЙ ФД

Представляет собой обычный диодный АД, на который подается сумма напряжений опорного колебания и сигнала.

Рисунок 23.1 – Принципиальная схема однотактного диодного ФД.

Пусть - опорное напряжение,- детектируемое напряжение, тогда напряжение на диоде:.

Проведем векторное сложение двух напряжений и.

Рисунок 23.2 – Векторная диаграмма.

В результате получаем суммарное напряжение той же частоты, но другой фазы. Его амплитуда зависит от фазы входного напряжения (т.е. происходит преобразование ФМ в АМ):

.

Полученный АМ сигнал детектируется АД. Выходное напряжение ФД:

,

где - коэффициент передачи АД.

Детекторная характеристика ФД – зависимость его выходного напряжения от разности фаз входного и опорного сигнала.

Детекторная характеристика рассмотренного ФД показана на рисунке 23.3 (кривая 1).

Рисунок 23.3 – Детекторные характеристики ФД: 1 – однотактного; 2 – балансного.

Выводы:

- характеристика имеет малый линейный участок вблизи углов , поэтому детектирование сопровождается значительными искажениями;

- выходное напряжение не меняет знака при изменениях фазы.

23.2 БАЛАНСНЫЙ ДИОДНЫЙ ФД

Представляет собой два встречно включенных АД, на которые подаются сумма и разность напряжений опорного колебания и сигнала.

Рисунок 23.4 – Принципиальная схема балансного диодного ФД.

При выбранной полярности напряжений инапряжения на диодах:

,

.

Рисунок 23.5 – Векторная диаграмма.

Пользуясь векторной диаграммой, можно определить амплитуды напряжений на диодах:

,

.

Токи иобразуют выходные напряжения плеч противоположной полярности:

,

.

Поэтому выходное напряжение равно их разности:

.

Детекторная жарактеристика рассмотренного ФД показана на рисунке 23.3 (кривая 2).

Выводы:

- наилучшую линейность характеристика имеет вблизи углов , при работе на этих участках детектирование осуществляется практически без искажений;

- знак выходного напряжения меняется при изменении фазы;

- крутизна характеристики балансного ФД в два раза больше крутизны характеристики однотактного ФД.

ЛЕКЦИЯ 24: «ДЕТЕКТИРОВАНИЕ МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ»

При приеме непрерывных и дискретных первичных сигналов возникают различные задачи приема. В первом случае это задача восстановления сигналов (получение принятого первичного сигнала, наименее отличающегося от переданного), во втором - задача обнаружения сигналов (получение ответа на вопрос, имеется на входе приемника сигнал или нет) или их различения (получение ответа на вопрос, какой из образцов сигналов ,, … илиимеется на входе).

В приемнике (демодуляторе) дискретных сигналов производится обработка, детектирование, анализ сигналов и принятие решения о переданном сигнале.

Обработка состоит в таком преобразовании сигналов, чтобы они имели максимальное отличие от помех и друг от друга. Как правило, сводится к тем или иным методам фильтрации.

Детектирование – операция выделения информационного параметра переносчика. Для детектирования манипулированных сигналов могут быть использованы ранее рассмотренные детекторы. Допустимость искажения формы детектированных сигналов (ее восстанавливать необязательно, т.к. она известна) позволяет снизить требования к линейности детекторной характеристики. В некоторых случаях детектор может и вовсе отсутствовать.

Анализ параметров приходящих сигналов и принятие решения о переданном сигнале по их различию происходит в решающем устройстве. Для двоичных сигналов это обычно сравнивающее устройство.

Даже идеально проведенное детектирование еще не означает, что будет обеспечена хорошая демодуляция дискретных сигналов. Поэтому нецелесообразно отдельно рассматривать особенности детектирования манипулированных сигналов. Работу демодулятора нужно рассматривать в целом, что реализовано в теории помехоустойчивости приема.

ЛЕКЦИЯ 25: «ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНО-МОДУЛИРОВАННЫХ (ИМ) И ДЕКОДИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ»

25.1 ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИМ СИГНАЛОВ

Особенностью ИМ сигналов является наличие в их спектре низкочастотных составляющих модулирующего сигнала, поэтому для их детектирования требуется выделить ФНЧ эти спектральные составляющие и не требуется нелинейных элементов.

Пусть модулирующий сигнал – гармоническое колебание с частотой F. Спектр АИМ содержит дискретные составляющие с частотами: 0, F, nf_д, nf_д+F. Амплитуда полезной составляющей спектра при АИМ:

,

где - амплитуда импульсов дискретизации;

- скважность импульсов дискретизации;

- индекс АИМ.

Если , то детектирование АИМ сигнала выполняет ФНЧ. Он выделяет компоненту спектра с частотой(полезную составляющую) и подавляет ближайшую к ней компоненту с частотой(мешающую).

Рисунок 25.1 – Структурная схема детектора АИМ сигнала при .

Если , то составляющая частоты модуляции в спектре АИМ сигнала мала. В этом случае детектирование осуществляется с помощью пикового детектора. Он позволяет получить больший по сравнению с ФНЧ уровень выходного сигнала. Пиковый детектор – АД, выходное напряжение которого пропорционально максимальному (пиковому) значению импульсов. Для работы детектора в пиковом режиме и отсутствия искажений детектируемого сигнала постоянная времени нагрузки детекторадолжна удовлетворять неравенствам:

,

где - период следования импульсов;

- максимальная частота спектра модулирующего сигнала.

Рисунок 25.2 – Структурная схема детектора АИМ сигнала при .

Перед детектированием всех остальных видов импульсной модуляции для повышения их помехоустойчивости осуществляется регенерация (восстановление формы импульсов). Для этого амплитудным ограничителем (АО) производится двустороннее ограничение импульсов на уровнях, близких к половине пикового значения импульсов. Это уменьшает влияние импульсных помех, устраняет флуктуационный шум в интервале между импульсами и в середине импульсов. Остаются влияния шума на фронты импульсов (вызывают сдвиг фронтов во времени) и мощных импульсных помех (вызывают дополнительные ложные импульсы).

Рисунок 25.3 – Регенерация ИМ сигналов: а - ИМ сигнал без помехи; б - смесь ИМ сигнала и помехи; в - регенерированный ИМ сигнал.

Спектр при ШИМ и ЧИМ богаче, чем при АИМ и содержит дискретные составляющие с частотами: 0, F, nf_д, nf_д+mF. Амплитуда полезной составляющей спектра при ШИМ:

,

где - индекс ШИМ.

Амплитуда составляющей частоты модуляции при ШИМ и ЧИМ значительно превышает амплитуды соседних по спектру мешающих составляющих, поэтому детектирование ШИМ и ЧИМ осуществляется ФНЧ.

Рисунок 25.4 – Структурная схема детектора ШИМ и ЧИМ сигналов.

Спектр при ФИМ содержит дискретные составляющие с частотами: 0, F, nf_д, nf_д+mF. Амплитуда полезной составляющей спектра:

,

где - максимальное смещение фронта импульса при модуляции.

Из выражения следует, что уровень полезной составляющей незначителен и зависит от частоты модуляции, поэтому детектирование ФИМ сигнала не может осуществляться ФНЧ. Сигналы ФИМ сначала преобразуются в АИМ или ШИМ сигналы, которые затем детектируются ФНЧ.

Рисунок 25.5 – Структурная схема детектора ФИМ сигналов.

25.2 ДЕКОДИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Преобразование цифрового ИКМ сигнала в непрерывный при ИКМ осуществляется декодером и ФНЧ. В состав декодера входит преобразователь последовательного кода в параллельный и сумматор с весом , где- номер разряда единицы в кодовой комбинации. Амплитуда импульса на выходе сумматора определяется кодовой комбинацией на входе декодера, т.е. на его выходе появляется квантованный АИМ сигнал, детектирование которого осуществляет ФНЧ.

Рисунок 25.6 – Структурная схема цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) ИКМ.

Преобразование ДИКМ сигнала в непрерывный осуществляется декодером ИКМ, интегратором и ФНЧ. На выходе декодера получают сигнал, соответствующий разности соседних отсчетов. Эти отчеты интегратор преобразует в ступенчатое напряжение, а ФНЧ сглаживает его.

Рисунок 25.7 – Структурная схема ЦАП ДИКМ и временные диаграммы его работы.

Формирование из ДМ сигнала аналогового сигнала осуществляется интегратором и ФНЧ. Интегратор имеет импульсный отклик в виде ступеньки напряжения, причем отклики на каждый из импульсов суммируются, и выходное напряжение будет иметь вид ступенчатой функции времени. Восстановление аналогового сигнала из дискретизированного и квантованного осуществляется ФНЧ.

Рисунок 25.8 – Структурная схема ЦАП ДМ и временные диаграммы его работы.

ЛЕКЦИЯ 26: «ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИЕМА СИГНАЛОВ»

26.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Помехоустойчивость (ПУ) является одним из основных показателей качества системы связи.

Представляет собой способность системы связи противостоять вредному действию помех на верность воспроизведения сообщений. Верность – степень соответствия принятого сообщения переданному.

ПУ зависит от вида передаваемых сообщений, уровня и характеристик помех, параметров составных частей системы.

Различают потенциальную и реальную ПУ. Первая представляет собой предельно достижимую помехоустойчивость при заданных сигналах и помехах. Эту ПУ обеспечивает специально сконструированный оптимальный (наилучший) приемник.

Реальная ПУ – это ПУ системы связи с учетом реального выполнения и настройки ее узлов. Она зависит от множества факторов и параметров отдельных звеньев системы связи. Реальная ПУ всегда меньше потенциальной.

Их сравнение позволяет дать оценку качества реального устройства и найти еще не использованные резервы повышения реальной ПУ.

26.2 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МЕРА ПУ

При передаче непрерывных первичных сигналов таковой являются среднеквадратическая ошибка:

,

и отношение сигнал-помеха на выходе демодулятора:

,

где волнистая черта – математическая операция усреднения во времени;

- время передачи сигнала;

- отклонение принятого сигнала от переданногоили помеха на выходе приемника;

- средняя мощность помехи на выходе приемника;

- средняя мощность сигнала на выходе приемника.

При передаче дискретных первичных сигналов количественной мерой помехоустойчивости является вероятность ошибки:

,

где - число ошибочно принятых первичных сигналов;

- общее число переданных сигналов.

26.3 ГРУППЫ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПУ СИСТЕМ СВЯЗИ

1) Повышение отношения сигнал-помеха на входе приемника. Этого можно добиться увеличением уровня сигнала или уменьшением уровня помех. Увеличение уровня передаваемого сигнала приводит к усложнению проблемы электромагнитной совместимости и взаимному влиянию в многоканальных системах, поэтому уровень передаваемого сигнала ограничивается. Увеличение уровня сигнала на входе приемника достигается уменьшением ослабления на пути его прохождения по направляющим системам, увеличением коэффициента усиления антенн, повышением КПД ввода в волноводы, световоды и др.

Уменьшение уровня помех производится подавлением помех в местах их возникновения и на путях проникновения ко входу приемника (экранирование, заземление, фильтрация и др.), уменьшением до допустимых норм взаимного влияния между цепями многопроводных линий (симметрирование, скрещивание, экранирование и др.), применением малошумящих усилителей и др.

2) Обработка сигналов в приемнике. Ее цель – выделить сигнал и подавить помехи. Наилучшие результаты обеспечивает оптимальная обработка. Однако все оптимальные способы технически сложны и на практике применяются квазиоптимальные.

3) выбор сигналов при заданных свойствах канала. При передаче дискретных сообщений осуществляется переход от ЧМн к ОФМн и многопозиционным сигналам, при передаче дискретных сообщений – от АМ к ОМ или ЧМ. Перспективны цифровые способы передачи непрерывных сигналов (например, ИКМ).

4) Разнесенный прием, при котором одно и то же сообщение передается по различным каналам связи с последующим автовыбором канала с лучшим отношением сигнал-помеха. Применяют разнесение по времени, частоте, фазе, поляризации, в пространстве.

5) Использование обратной связи (ОС). Применяется при передаче дискретных сигналов. В этом случае между источником и потребителем информации имеются как прямой, так и обратный каналы.

Различают системы с информационной (ИОС) и решающей (РОС) ОС.

При ИОС принятое сообщение по обратному каналу передается к источнику, где сравнивается с переданным сообщением. При выявлении ошибок и неточностей все сообщение передается снова.

При РОС ошибки выявляются на приеме (например, с помощью кодов, обнаруживающих ошибки). Далее формируется специальная команда, которая передается по обратному каналу. При получении этой команды источник повторяет передачи только ошибочно принятых символов сообщения.

Недостатками систем с ОС являются усложнение оборудования и увеличение времени передачи.

6) Применение корректирующих кодов. Хорошие коды являются сложными и технически трудно выполнимыми, поэтому используются в высококачественных системах связи (например, спутниковых).

ЛЕКЦИЯ 27: «ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ»

27.1 ОЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сущность ОПТИМАЛЬНОГО ПРИЕМА состоит в том, чтобы для выделения переданного сигнала использовать такие преобразования принимаемого колебания на выходе канала передачи, при которых обеспечивается наибольшая помехоустойчивость. Совокупность таких преобразований называют АЛГОРИТМОМ ОПТИМАЛЬНОГО ПРИЕМА данного сигнала при передаче его по данному каналу.

В цифровых системах связи, как правило, применяется поэлементный прием. ПОЭЛЕМЕНТНЫЙ (ПОСИМВОЛЬНЫЙ) ПРИЕМ – способ приема, при котором решение о переданном сигнале принимается отдельно для каждого сигнала, независимо от принятого ранее.

В теории приема сигналов пользуются различными критериями оптимальности. КРИТЕРИЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ приема – признак, на основании которого производится оценка обработки принятого сигнала как наилучшая. Его выбор зависит от условий работы.

При передаче дискретных сигналов широко используется КРИТЕРИЙ ИДЕАЛЬНОГО НАБЛЮДАТЕЛЯ (КРИТЕРИЙ КОТЕЛЬНИКОВА). Согласно ему тот приемник считается оптимальным, который обеспечивает минимум полной вероятности ошибки. Записывается в виде:

.

Полная вероятность ошибки вычисляется как математическое ожидание вероятности ошибки каждого из первичных сигналов:

,

где - вероятность передачи сигнала;

- общее число первичных сигналов.

На практике наиболее часто встречается случай передачи двоичных первичных сигналов сигналами, сформированными методами АМн, ЧМн и ФМн, в канале с аддитивным гауссовским шумом.

Аддитивная помеха – помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Гауссовский шум представляет собой стационарный эргодический случайный процесс с гауссовским (нормальным) распределением вероятности.

Таблица 27.1 – Алгоритмы оптимального приема при аддитивном гауссовском шуме.

Вид модуляции	Алгоритм
АМн
ЧМн
ФМн

Использованные в таблице обозначения:

- двоичные первичные сигналы, соответствующие символам «1» и «0»;

- модулированные сигналы длительности с различными амплитудами (при АМн), частотами (при ЧМн) или фазами (при ФМн);

- энергия сигнала ;

- принятая сумма сигнала и помехи.

Приведенные алгоритмы можно реализовать двумя способами: на основе корреляторов, на основе согласованных фильтров.

КОРРЕЛЯТОР (АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР) – устройство, состоящее из трех блоков: перемножителя, генератора и интегратора - и используемое для вычисления скалярного произведения сигналов . Используется в случае, когда сигналы имеют сложную форму.

Поэтому приведенные на рисунке 27.1 схемы получили название оптимальных корреляционных приемников.

Рисунок 27.1 – Структурные схемы оптимальных когерентных приемников на корреляторах: а – АМн сигналов; б – ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

Используемые обозначения:

- генераторы опорных сигналов , форма которых повторяет форму обнаруживаемых сигналов;

- перемножитель;

- интегратор;

- решающее устройство.

Схемы приемников сигналов с АМн и ФМн одноканальные (имеют одну ветвь обработки), с ЧМн – двухканальные (имеют две ветви обработки). В РУ результат интегрирования сравнивается с порогом, равным половине энергии сигнала для АМн, и нулевым для ФМн либо результаты интегрирования сравниваются друг с другом для ЧМн. На выходе РУ формируются первичные сигналы в зависимости от знака неравенства.

Для работы генераторов, интеграторов и решающего устройства используются синхронизирующие тактовые импульсы, получаемые от специального устройства. Эти импульсы определяют начало и конец интервала интегрирования и момент вынесения решения о принятом сигнале.

СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР (СФ) – пассивный линейный фильтр с постоянными параметрами и импульсной характеристикой:

,

где - произвольный коэффициент пропорциональности;

- сигнал длительностью , по отношению к которому данный фильтр является согласованным;

- задержка в фильтре или момент отсчета.

ИМПУЛЬСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА – реакция линейного четырехполюсника на воздействие в виде очень короткого прямоугольного импульса с достаточно большой амплитудой.

Импульсная характеристика согласованного с сигналом фильтра совпадает с зеркальным изображением этого сигнала, сдвинутым в положительном направлении по оси времени на длительность .

Рисунок 27.2 – Сигнал и импульсная характеристика согласованного с ним фильтра при .

Форма сигнала на выходе СФ существенно отличается от формы сигнала на входе. Отношение сигнал-помеха на выходе СФ является максимально достижимым для линейных фильтров. СФ обеспечивает максимально возможное мгновенное значение сигнала на выходе в момент отсчета на сигнал, с которым он согласован. Оно численно равно энергии этого сигнала.

Рисунок 27.2 – Форма сигналов на входе и выходе СФ.

СФ в схемах приемников заменяют генераторы, перемножители и интеграторы.

Рисунок 27.3 – Структурные схемы оптимальных когерентных приемников на СФ: а – АМн сигналов; б - ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

27.2 НЕКОГЕРЕНТНЫЙ ПРИЕМ

Применяется в каналах с переменными параметрами (фаза меняется случайно) или при технических трудностях определения фазы с целью упрощения схем. Некогерентный прием нельзя осуществить для сигналов с ФМн, т.к. здесь передаваемая информация заложена в изменении фазы.

Рисунок 27.4 – Структурные схемы оптимальных некогерентных демодуляторов: а – АМн сигналов; б – ЧМн сигналов.

Решение в РУ о передаваемом сигнале принимается по значениям огибающей, для выделения которой в схему приемников после цепей обработки (СФ) включается амплитудный детектор АД.

27.3 НЕОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ

На практике во многих случаях применяют более простые и надежные неоптимальные варианты приемного устройства ценой некоторой потери помехоустойчивости.

Структурная схема демодуляторов АМн и ЧМн сигналов в этом случае аналогична структурным схемам оптимальных некогерентных демодуляторов, но вместо СФ здесь применяют полосовые фильтры (ПФ) до детектора и манипуляционный ФНЧ после детектора.

ПФ додетекторной обработки ограничивает мощность помех на входе детектора. В зависимости от полярности напряжения на выходе ФНЧ в решающем устройстве РУ формируются выходные сигналы или.

При ФМн обязательно используется когерентный прием.

Рисунок 27.5 – Структурная схема неоптимального когерентного приемника ФМн сигналов.

ФД выполняет роль перемножителя, ФНЧ – интегратора. Опорный генератор системой ФАПЧ подстраивается так, чтобы частота и фаза его колебаний совпадала с частотой и фазой одного из сигналов (например,).

Приведенный приемник обладает существенным недостатком: использование для фазовой синхронизации принимаемого сигнала приводит к ОБРАТНОЙ РАБОТЕ (выходной сигналзаменяется наи наоборот). Обратная работа возникает, когда фаза колебаний генератора меняется на противоположную случайным образом в результате воздействия помех в канале.

Этот недостаток устранен в системах с ОФМн. Наибольшее распространение получили два метода приема ОФМн сигналов: метод сравнения фаз и метод сравнения полярностей (когерентный прием).

Рисунок 27.6 – Структурные схемы приемника ОФМн сигналов: а – по методу сравнения фаз; б – по методу сравнения полярностей.

Метод сравнения фаз обеспечивает когерентный прием. Система ФАПЧ и генератор , дающие эффект обратной работы, заменены на линию задержки на время(ЛЗ). В ФД производится сравнение фаз принятого сигналаи опорного, в качестве которого используется предыдущий принятый сигнал. Выходные сигналыпосле ФД формируются в зависимости от полярности напряжения на выходе ФНЧ.

Метод сравнения полярностей обеспечивает когерентный прием. Принимаемый сигнал сначала обрабатывается когерентным демодулятором ФМН. На его выходе наблюдается обратная работа. Ее устраняет относительный декодер (схема сравнения полярностей), который состоит из ЛЗ и сравнивающего устройства (СУ)). В СУ сравниваются полярности настоящей и предыдущей посылок и вырабатывается выходной сигнал: положительное напряжение – если полярности совпадают , отрицательное – если полярности разные.

119