Файл: Введение в системы радиосвязи и радиодоступа.pdf

Глава 3. Общие сведения о системах связи
канала F
K
и динамическим диапазоном D
K
. Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности помехи, неизбежно присутствующей в канале. Типы каналов, по которым пере- даются сообщения, многочисленны и разнообразны. Широко применяются кана- лы проводной связи, коротковолновой радиосвязи с использованием отражения от ионосферы, ультракоротковолновой связи ионосферного и тропосферного рассе- яния, метеорной связи, космической связи и т. п. Характеристики этих каналов значительно отличаются друг от друга.
Обобщенной характеристикой непрерывного канала является его емкость (объем):
V
K
T
K
F
K
D
K
.
Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом
V
C
должно быть
V
C
D V
K
.
(3.1)
Для согласования сигнала с каналом осуществляют вторичное преобразование первичного сигнала. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам, т. е. добиваются выполнения условий:
T
C
D T
К
;
F
C
D F
K
;
D
C
D D
K
.
(3.2)
При этих условиях объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала.
Однако неравенство (3.1) может выполняться и тогда, когда не выполнены од- но или два из неравенств (3.2). Это означает, что можно производить «обмен»
длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапа- зон и т. д. Например, записанный на пленку сигнал можно воспроизводить с по- ниженной скоростью. При этом диапазон частот исходного сигнала уменьшится во столько раз, во сколько увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывается на пленку, а затем воспроизводится с повышенной скоростью для восстановления исходного сигнала. Записанный сигнал можно передавать также и с повышенной скоростью. Широко используется также обмен динамического диапазона на полосу пропускания. Так, использование помехоустойчивых широко- полосных видов модуляции позволяет передать сообщение по каналам с увеличен- ным уровнем помех. Но это требует полосы пропускания канала более широкой,
чем спектр сообщения.
По способу распространения электромагнитной энергии различают каналы с открытым и закрытым распространением. В каналах с закрытым распростране- нием электромагнитные колебания распространяются по направляющим линиям
(проводные, кабельные, волноводные тракты и т. п.). В каналах с открытым рас- пространением используются радиоволны в диапазоне частот от 30 до 30 10 12
Гц.
3.5 Общие сведения о сетях связи
Сети связи — совокупность технических средств, обеспечиваю-
щих передачу и распределения сообщений.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5 Общие сведения о сетях связи
29
В зависимости от того, имеются или отсутствуют в сети специаль- ные устройства коммутации, различают коммутируемые и неком- мутируемые сети.
Правила построения сетей зависят от способа распределения и вида передава- емых сообщений.
Среди некоммутируемых сетей наиболее часто встречаются следующие спосо- бы организации сетей: «общая шина» (рисунок 3.5, а), «кольцо» (рисунок 3.5, б),
полносвязная сеть («каждый с каждым») (рисунок 3.5, в). Подобные конфигурации наиболее характерны для компьютерных сетей.
Рис. 3.5 – Некоммутируемые сети: а) «общая шина»; б) «кольцо»;
в) полносвязная сеть
Каждый из способов организации сетей имеет свои достоинства и недостатки.
Так, в структурах «общая шина» и «кольцо» все участники сети используют об- щую среду распространения сигналов и имеют уникальные признаки, характерные только для данного абонента и называемого адреса. Этот адрес обязательно име- ется в передаваемом сообщении, и по этому адресу принимающая сторона судит о том, ей или другому участнику сети предназначено это со общение.
Достоинством таких сетей является простота организации. Недостатки подоб- ных структур заключаются в следующем. При обрыве линии связи в любом месте связь становится невозможной для целой группы пользователей. Кроме того, в та- ких сетях в любой момент времени может передавать сообщение только одна пара участников сети.
Организация сети по принципу «каждый с каждым» требует значительно боль- шего количества соединительных линий. Но зато сеть отличается наилучшей опе- ративностью: в любой момент времени может быть установлена связь любой пары абонентов. В целом, такая сеть является более надежной: выход из строя одной ли- нии вызовет нарушение связи только одной пары абонентов. Остальные участники сети будут продолжать работать в прежних условиях.
По указанным причинам перечисленные выше структуры организации сетей наиболее эффективно работают лишь при небольшом числе абонентов. С уве- личением количества абонентов возрастает сложность организации таких сетей,
либо уменьшается время, доступное каждому из абонентов для использования об- щих ресурсов, либо с ростом числа абонентов стремительно возрастает количество и длина линий, их соединяющих.
При увеличении количества участников сети наиболее эффективными оказы- ваются коммутируемые сети. В таких сетях абоненты разбиваются на группы,

30
Глава 3. Общие сведения о системах связи
и в каждой группе каждый из абонентов соединяется со специальным узлом ком- мутации линиями связи, называемые абонентскими линиями. В узлах коммутации потоки от отдельных абонентов объединяются и передаются на другие узлы ком- мутации по линиям связи, называемым соединительными линями и способным переносить большие, чем абонентские линии, объемы информации. Общая длина необходимых линий связи в таких сетях сокращается.
При введении специального устройства — узла коммутации — может быть уменьшено количество необходимых линий для соединения абонентов и их об- щая длина. При этом сеть сохраняет высокую оперативность и достаточно вы- сокую надежность, связанную с нарушениями в работе линий связи: при обрыве абонентской линии связи лишь один пользователь получает отказ в услугах свя- зи. Но в таких структурах высокая ответственность ложится на узлы коммутации:
нарушения в его работе могут привести к срыву связи всей сети.
Простейшая коммутируемая сеть имеет один узел коммутации. Такую структу- ру сети называют радиальной, или «звездой» (рисунок 3.6, а). При увеличении чис- ла пользователей сети более эффективной оказывается радиально-узловая струк- тура (рисунок 3.6, б).
Рис. 3.6 – Коммутируемые сети: а) радиальные; б) радиально-узловые
В коммутируемой сети для обеспечения передачи сообщений, предназначен- ных конкретному пользователю, оконечные аппараты абонентов предварительно связываются с помощью узлов коммутации и соединительных линий. Электриче- ская цепь (канал), состоящая из нескольких участков, называется соединительным трактом.
Процесс выбора электрических цепей и объединение их в соедини-
тельный тракт называется коммутацией каналов.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Сеть, обеспечивающая коммутацию каналов, называется сетью с коммутацией каналов. После установления соединения в такой сети информация от источника к получателю поступает в реальном времени с учетом лишь физических задержек распространения сигнала по цепи. Это является достоинством таких сетей. Недо-

3.5 Общие сведения о сетях связи
31
статок данного режима работы сети заключается в следующем. Пока общий ресурс сети (узлы коммутации и соединительные линии) занят одной парой пользователей сети, другие абоненты не могут в этот интервал времени воспользоваться сетью,
даже в том случае, если по ней не передается никакой информации.
В сетях связи возможны и другие режимы работы. Передачу документальных сообщений можно выполнять не только после установления всего соединительно- го тракта («из конца в конец»), а поэтапно, от одного узла коммутации к друго- му. В каждом последующем узле принятое сообщение становится в очередь и от- правляется к очередному узлу по мере освобождения линии. Такая организация доставки информации называется коммутацией сообщений, а сеть, обеспечиваю- щая коммутацию сообщений, называется сетью с коммутацией сообщений. «Про- стои» соединительных линий в такой сети оказываются менее продолжительными,
и в целом такая сеть может передать больший объем информации.
Вариантом сети с коммутацией сообщений является сеть с коммутацией паке-
тов. В такой сети отправляемые сообщения разбиваются на блоки (пакеты) фикси- рованного размера. По сети каждый такой пакет передается как самостоятельное сообщение. В месте приема исходное сообщение восстанавливается из набора по- лученных пакетов. Эффективность такого режима работы сети оказывается еще выше. На практике наиболее часто используют методы с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.
По иерархическим признакам (масштабу охвата территории и количеству участников) сети разделяются на глобальные (всемирные) и региональные (на- циональные, зоновые или местные). Примерами глобальных сетей являются ком- пьютерные сети Internet, сети сотовой связи GSM и т. д. Региональные сети об- служивают территорию соответствующего региона. Компьютерные сети по этому признаку классифицируют на глобальные сети и локальные сети.
По функциональным признакам сети связи разделяются на сети передачи
(магистральные сети), сети распределения (системы коммутации) и сети управ- ления.
По виду передаваемых сообщений сети разделяются: на телефонные сети, те- леграфные сети, радио- и телевизионные вещательные сети, сети сотовой связи,
сети передачи дискретных сообщений, сети передачи газет и т. д.
Телефонная сеть является одной из наиболее разветвленных сетей и строит- ся по радиально-узловому принципу. Оконечными устройствами телефонной сети являются телефонные аппараты и факс-модемы.
Телеграфная сеть также строится по радиально-узловому принципу с учетом административного деления страны. Оконечными устройствами телеграфной сети являются телеграфные аппараты отделений связи либо других пользователей.
Сети сотовой связи также строятся по радиально-узловому принципу с учетом особенностей распространения радиоволн.
Сети передачи дискретных сообщений имеют схожую структуру и являются одним из наиболее динамично развивающихся участников процесса передачи ин- формации.
Сети передачи газет обеспечивают передачу газетной информации факси- мильным способом.
Важнейшими сетями передачи массовых сообщений являются сети вещания.

32
Глава 3. Общие сведения о системах связи
Вещание — это процесс одновременной передачи сообщений об-
щего характера широкому кругу абонентов при помощи техниче-
ских средств связи.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вещательная программа представляет собой последовательную во времени передачу различных сообщений. Технология вещания включает в себя как под- готовку вещательных программ, так и доведение этих программ до абонентов.
Основными требованиями к сетям вещания являются высокое качество передавае- мых программ, надежность и экономичность при охвате вещанием всего населения страны.
Сети радиовещания и телевизионного вещания строятся по радиально-узлово- му принципу. Распространение программ в сетях радио- и телевизионного веща- ния осуществляется по каналам связи, разветвление выполняется на специальных узлах. По способу доведения вещательных программ до абонентов различают ра- диовещание (в том числе и эфирное телевидение) с использованием передающих радио- и телевизионных станций и проводное вещание (в том числе и кабельное телевидение).
Зона уверенного приема телевизионного сигнала ограничена пределами пря- мой видимости между передающей антенной телецентра и приемной антенной абонента. Радиус этой зоны растет с увеличением высоты подъема антенны. Ти- повые радиопередающие станции с опорами для антенн высотой 200. . .300 метров обеспечивают зону уверенного приема с радиусом 60. . .100 километров.
Современной разновидностью эфирного телевидения является спутниковое те- левидение с непосредственным приемом на установки, расположенные у абонен- тов (непосредственное телевидение — НТВ).
Контрольные вопросы по главе 3 1) По каким признакам классифицируются виды электрической связи?
2) Из каких компонентов состоят обобщенные структурные схемы систем связи?
3) Перечислите основные характеристики сигналов электросвязи.
4) Какие основные характеристики имеют каналы электрической связи?
5) Как связаны основные характеристики сигналов и каналов связи?
6) Как устроены некоммутируемые сети?
7) Из каких компонентов состоят коммутируемые сети?

Глава 4
СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ
4.1 Модели радиотехнических сигналов
В современных системах связи используют сложные сигналы (то есть имею- щие сложные математические модели, описывающие поведение сигналов) и слож- ные методы их обработки. В то же время для описания сигналов любой сложности часто используются комбинации элементарных сигналов, модели которых описы- ваются простыми математическими выражениями.
Так, для решения большого числа радиотехнических задач широкое примене- ние находит функция включения (функция Хэвисайда) (рис. 4.1):
σˆt t
0

¢¨¨¨
¨¨¨
¦¨¨
¨¨¨¨
¤
0,
при t
@ t
0
,
1 2
,
при t
t
0
,
1,
при t
A t
0
,
(4.1)
где t
0
— задержка включения.
Рис. 4.1 – Функция включения
Функция включения (ступенька) является математической абстракцией и в фи- зически реализуемых устройствах в «чистом» виде не встречается. Ее можно рас- сматривать как предельный переход от ряда аналитических функций, например:
σˆt lim
λ ª

1
π
arctg
ˆλt
1 2
.
(4.2)

34
Глава 4. Сигналы и помехи
С помощью этой функции (набора таких ступенек с разной амплитудой) с раз- ной степенью точности можно описать характер поведения любой зависимости
s
ˆt (рис. 4.2), например поведение электрической цепи при включении питания.
Понятно, что для более точного описания радиотехнических сигналов нередко тре- буется уменьшение высоты каждой из используемых ступенек при одновременном увеличении количества самих ступенек.
Рис. 4.2 – Динамическое представление сигнала
Другим вариантом модели элементарного сигнала является прямоугольный им- пульс. Формально он может быть получен путем сложения двух функций включе- ния различных полярностей
σˆtt
1
 и σˆtt
2
 с различными временами задержек
t
1
и t
2
(рис. 4.3).
Рис. 4.3 – Формирование прямоугольного импульса
Вариантом прямоугольного импульса является так называемый дельта-им- пульс, получаемый при предельном переходе от прямоугольного импульса, у ко- торого с уменьшением длительности импульса, равной
τ ˆt
2
t
1
, одновременно увеличивается амплитуда E при сохранении «площади» импульса, определяемой как S
τ E (рис. 4.4):
δˆt lim
τ 0 1
τ
<@
@@
@>
σŒt
τ
2
‘σŒt
τ
2
‘
=A
AA
A?
.
(4.3)
Дельта-функция
δˆt может быть интерпретирована как результат дифферен- цирования функции включения
σˆt. Роль дельта-функций при анализе радиотех- нических цепей и сигналов также велика, несмотря на то, что и дельта-функция является математической абстракцией. В частности, для определения импульсных характеристик радиотехнических устройств используются импульсные сигналы,
длительность которых много меньше длительности реакции цепи на это воздействие.

4.1 Модели радиотехнических сигналов
35
Значительное место в ряду радиотехнических сигналов занимают периодиче- ские сигналы (рисунок 4.5), математические модели которых могут быть представ- лены выражением:
s
ˆt sˆt kT,
(4.4)
где k — любое целое число, а T — период сигнала (минимальный интервал времени между повторяющимися значениями сигнала).
Рис. 4.4 – Переход к дельта-функции
Периодические сигналы в силу своей регулярности являются хорошей осно- вой для формирования различных тактирующих и синхронизирующих последова- тельностей, а также могут быть использованы в качестве несущих колебаний для различных видов модуляции.
Рис. 4.5 – Периодический сигнал
Одним из наиболее известных периодических сигналов является гармониче- ская функция:
s
ˆt A cosˆ2πft 3 A cos ‹
2
πt
T
3 A cosˆωt 3,
(4.5)
где A — амплитуда гармонических колебаний; f — циклическая частота гармониче- ских колебаний (величина, обратная периоду T колебаний), f
1
T; 3 — начальный сдвиг фазы гармонического колебания;
ω 2πf — круговая частота гармонических колебаний.
Здесь и далее значения сигналов в текущий момент времени (мгновенное зна- чение сигналов, например s
ˆt), будем обозначать строчными буквами, для обозна- чения амплитуды колебаний будем использовать прописные буквы.
Поведение гармонического колебания во временной области показано на ри- сунке 4.6. При анализе радиотехнических устройств, кроме временного представ- ления, также используется представление сигналов в частотной области.

36
Глава 4. Сигналы и помехи
Рис. 4.6 – Гармонический сигнал
Широкое применение гармонического сигнала объясняется универсальностью формы гармонического колебания. Эта универсальность заключается в том, что гармоническое колебание не изменяет свою форму при прохождении через ли- нейные цепи (напомним, что в линейной цепи коэффициенты дифференциального уравнения, описывающего работу этой цепи, постоянны и не зависят от величи- ны входного сигнала). При прохождении гармонического сигнала через линейную цепь форма (повторяющая синусоидальную зависимость) и частота этих колебаний остаются неизменными, могут измениться только амплитуда и начальная фаза.
4.2 Гармонический анализ и синтез сигналов
Универсальность гармонического колебания заключается также в том, что лю- бой периодический сигнал может быть составлен (в этом случае говорят: синте- зирован) только из гармонических колебаний с определенными амплитудами, ча- стотами и начальными фазами. Раздел теории сигналов, который занимается раз- ложением сигналов на гармонические составляющие, называется гармоническим анализом сигналов, или Фурье-анализом. Основные положения этой теории заклю- чаются в следующем.
Любой периодический сигнал с периодом T может быть представлен суммиро- ванием определенного набора гармонических колебаний с круговыми частотами,
равными
ω
n
n
ω
1 2
πnT, где n — номер гармоники (натуральное число). При этом гармонику с номером n
1 называют основной гармоникой, а гармоники с номерами n
A 1 — высшими гармониками. В общем случае количество таких гармоник может быть бесконечным. Сигнал, представленный суммой гармоник,
может быть записан в виде:
s
ˆt
a
0 2

ª
Q
n 1
a
n
cos
ˆnω
1
t
 b
n
sin
ˆnω
1
t
 .
(4.6)
Коэффициенты a
n
и b
n
выражения (4.6) определяются интегрированием сигна- ла на интервале времени, равном периоду, по правилам:
a
0 2
T
T
2
S

T
2
s
ˆt dt,
(4.7)

4.2 Гармонический анализ и синтез сигналов
37
a
n
2
T
T
2
S

T
2
s
ˆt cosˆnω
1
t
 dt,
(4.8)
b
n
2
T
T
2
S

T
2
s
ˆt sinˆnω
1
t
 dt.
(4.9)
Представление периодического сигнала в виде набора гармонических состав- ляющих называется спектром. Такое разложение периодического сигнала также называют рядом Фурье. Выражение (4.6) может быть представлено в другой форме:
s
ˆt
a
0 2

ª
Q
n 1
A
n
cos
ˆnω
1
t
3
n
,
(4.10)
где амплитуда A
n
и фаза
3
n
n-й гармоники определяются по правилу:
A
n
»
a
2
n
b
2
n
,
(4.11)
3
n
arctg
b
n
a
n
.
(4.12)
Графическое представление спектра сигналов выполняют в виде набора вер- тикальных отрезков, начинающихся на оси абсцисс (на оси частот). При этом по- ложение отрезка на оси абсцисс (от начала координат) отражает частоту соответ- ствующей гармоники, а длина отрезка соответствует амплитуде этой гармоники.
Операция формирования сложного сигнала из набора гармоник называется синтезом сигнала. На практике для синтеза сигналов обычно используют не бес- конечный ряд, а ограниченный набор гармоник (его называют усеченным рядом
Фурье). Понятно, что если сигнал будет представлен неполным набором гармоник,
его форма будет искажена. Одной из задач синтеза сигналов является формирова- ние сигналов с допустимыми искажениями из ограниченного набора гармоник.
В качестве примера рассмотрим формирование сигнала, близкого к прямо- угольному, из усеченного ряда Фурье. На рисунке 4.7 представлены сигналы, по- лученные суммированием первых гармоник, выбранных из полного ряда Фурье.
На рисунке 4.7, а пунктиром изображен меандр (симметричный прямоугольный сигнал) m
ˆt, сплошной линией — уровень первой гармоники a
1
ˆt, содержащей- ся в этом сигнале. На рисунке 4.7, б изображен спектр первой гармоники s
1
ˆf .
Спектр гармонического (синусоидального) колебания содержит только одну со- ставляющую на частоте f
f
1 1
T, где T — период колебаний. Периоды исходного прямоугольного сигнала и его первой гармоники совпадают.
На рисунке 4.7, в пунктиром изображены первая и третья гармоники, содержа- щиеся в меандре, а сплошной линией — их сумма. Заметим, что у симметричных сигналов (в том числе и у меандра) все гармоники с четными номерами отсут- ствуют (точнее, значения их амплитуд равны нулю). Спектры первых трех гар- моник приведены на рисунке 4.7, г (уровень второй гармоники равен нулю). На рисунке 4.7, д приведены первые четыре ненулевые гармоники (то есть гармоники с номерами 1, 3, 5 и 7) и их сумма. На рисунке 4.7, е показаны их спектры.

38

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

Глава 4. Сигналы и помехи
Рис. 4.7 – Формирование прямоугольного сигнала из суммы первых гармоник:
а), в), д) — временное представление первых гармоник меандра и их суммы;
б), г), е) — спектральное представление соответствующих наборов гармоник
На рисунке видно, что с увеличением количества гармоник форма синтези- рованного сигнала все более приближается к прямоугольной, а различие между прямоугольной волной и сигналом, образованным суммой гармонических состав- ляющих, становится все меньше.
В заключение следует добавить, что в ряд Фурье можно разлагать только пе- риодические сигналы, для анализа же непериодических сигналов используется ап- парат интегралов Фурье.
4.3 Первичные сигналы электросвязи
Системы связи должны быть спроектированы таким образом, чтобы качествен- но, то есть своевременно и без потерь, передавать информацию, содержащуюся в исходном сообщении. Рассмотрим основные характеристики наиболее распро- страненных видов сообщений: звуковые и оптические.
Звук — это колебательное движение частиц упругой среды, рас-
пространяющееся в виде волн в газообразных, жидких или твер-
дых средах и воспринимаемое органами чувств человека.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3 Первичные сигналы электросвязи
39
Для анализа звука могут быть использованы различные методы. Одной из ши- роко применяемых характеристик звука является его спектр, получаемый в резуль- тате разложения звука на гармонические составляющие. Человек может слышать звуки в диапазоне частот от 4. . .6 Гц до 20 кГц. Частота основной составляющей спектра определяет воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих — тембр звука. Энергетическая характеристика звуковых колебаний определяется звуковым давлением, воспринимаемым человеком как громкость звука.
Источниками звука могут быть любые явления, вызывающие местные измене- ния давления. В качестве источников звука широко применяются колеблющиеся твердые тела, например струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов и разнообразные электроакустические преобразователи. В качестве приемников звука используются микрофоны и другие акустоэлектрические преобразователи.
Значительную долю звуковых сообщений представляют сигналы речи. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полость рта и носа [7]. Частота колебаний основного тона лежит в пределах от 50. . .80 Гц (бас) до 200. . .250 Гц (детский и женский голоса).
Речь человека кроме основного тона содержит большое количество гармоник (до
49), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты.
Энергетический спектр сигнала речи представляет собой усредненное распре- деление энергии звуковых колебаний в полосе частот. Степень воздействия звука на органы чувств принято оценивать в относительных единицах, вычисляемых как уровень звукового давления:
β 10 lg
П
2
ˆf 
П
2 0
, [дБ],
(4.13)
где П
2
ˆf  — средний квадрат звукового давления, оказываемый гармоническими со- ставляющими звука, расположенными в окрестностях частоты f в полосе частот,
равной 1 Гц; П
0
— порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частоте 600. . .800 Гц).
Здесь и далее в качестве количественных характеристик сигналов и систем свя- зи используется десятичный логарифм отношения двух величин одинаковой раз- мерности. Одна единица такой величины называется Бел (обозначается [Б]) в честь американского ученого Александра Белла. Единица измерения один Бел — это до- статочно большая величина, и на практике обычно применяют единицу измерения,
в 10 раз меньшую — децибел (обозначается [дБ]).
Усредненные энергетические спектры звуковых сигналов: русской и англий- ской речи приведены на рисунке 4.8. Спектры этих сигналов имеют различия, но максимальные составляющие этих спектров (как и спектры речи других языков)
лежат в диапазоне частот 0,6. . .1,0 кГц. В общем случае речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50. . .100 Гц до 8. . .10 кГц. В результате исследований речи установлено, что вполне удовле- творительное качество речи сохраняется при ограничении спектра частотами от
300 Гц до 3400 Гц. Эти частоты приняты международными и национальными организациями стандартизации в области связи в качестве границ эффективного спектра сигналов речи.

40
Глава 4. Сигналы и помехи
Рис. 4.8 – Энергетический спектр речевого сигнала:
——— — русская речь,
- - - - - - — английская речь
Системы связи, ориентированные на передачу сигналов речи, должны обес- печивать необходимое качество их передачи, определяемое уровнем громкости,
разборчивости, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Системы радиосвязи и телефонные сети, предназначенные для передачи звуковых сообще- ний, также должны учитывать следующие характеристики сигналов речи.
Средняя мощность сигнала речи, подаваемого на вход системы связи, должна быть определена техническими характеристиками данной системы. Кроме средней мощности при передаче речи различают также мощность на интервале активности
(мощность сигнала в фазе разговора) и пороговую мощность (мощность сигнала на интервале пауз).
Коэффициент активности телефонного сообщения определяется отношением суммарного времени, в течение которого мощность сигнала одного из абонентов превышает пороговое значение, к общему времени разговора. Полагают, что каж- дый из собеседников при разговоре занимает приблизительно 50% времени, а так- же учитывают, что отдельные слова и фразы разделяются паузами. В результате,
коэффициент активности речевого сигнала принимают равным 0,25. . .0,35.
Динамический диапазон сигнала речи — отношение максимального значения мгновенной мощности сигнала P
MAX
к минимальному значению мгновенной мощ- ности P
MIN
, или в логарифмических единицах измерения:
D
10 lg
‹
P
MAX
P
MIN
 , [дБ].
(4.14)
В выражении (4.14) за величину P
MAX
принимают такое значение мощности сигнала, которое может быть превышено лишь в течение 2% общего времени пе- редачи; а за величину P
MIN
принимают такое значение мощности сигнала, которое должно быть превышено в течение 98% общего времени.
В программах звукового вещания сигналы переносят информацию, содержа- щуюся не только в звуках речи, но и музыкальных инструментов и других ис- точников звука. Возрастание количества переносимой информации сопровожда- ется изменением характеристик систем связи. Качество передаваемых сигналов звукового вещания определяется классом канала вещания. Например, диапазон ча- стот, переносимый сигналами вещания первого класса, ограничивается частотами

4.4 Помехи радиосвязи
41
0,05. . .10,0 кГц (достаточно высокое качество). Лучшие характеристики передачи сигналов обеспечивает канал высшего качества (0,03. . .15,0 кГц).
Динамический диапазон сигналов передачи программ звукового вещания: речь диктора — 25. . .35 дБ; художественное чтение — 40. . .50 дБ; вокальные и музыкаль- ные инструменты — 45. . .55 дБ, симфонический оркестр — до 65 дБ.
В программах телевизионного вещания к звуковым сообщениям добавляют- ся оптические сообщения, а также дополнительная информация, необходимая для согласованной работы передающего и приемного устройств. Более подробно сиг- налы телевизионного вещания будут рассмотрены в последующих разделах. Здесь отметим лишь основные характеристики сигналов телевизионного вещания.
Стандарты телевизионного вещания в разных странах могут быть разными.
В нашей стране для передачи сигналов черно-белого изображения используется диапазон частот от 0 до 6 МГц. Передачу сигналов цветности осуществляют в том же частотном диапазоне, что и сигналов черно-белого изображения. Цветное теле- видение должно быть совместимым с черно-белым, то есть черно-белые передачи должны одинаково восприниматься на цветных и черно-белых приемниках. В то же время цветные передачи на черно-белых приемниках должны восприниматься как черно-белые передачи.
Сигналы звукового сопровождения занимают отдельную полосу частот в спек- тре телевизионного сигнала. Динамический диапазон телевизионного сигнала со- ставляет приблизительно 40 дБ.
4.4 Помехи радиосвязи
Помехой называют постороннее электрическое колебание, меша-
ющее нормальному приему сигналов.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Причиной и источниками помех могут являться различные факторы, и помехи могут быть классифицированы по различным признакам.
В зависимости от места возникновения посторонние электрические колебания можно разделить на внешние и внутренние помехи. Внутренние помехи возни- кают в узлах аппаратуры и трактах систем связи. Внешние помехи обусловлены действием источников помех, внешних по отношению к системе связи и не свя- занных с ее функционированием.
По степени возможности ликвидации помех последние могут быть классифицированы на устранимые и неустранимые помехи.
Принципиально неустранимым видом помех являются внутренние помехи.
Они появляются сразу же после включения аппаратуры. По природе возникнове- ния внутренние помехи разделяются на тепловые и дробовые шумы. Тепловые

42
Глава 4. Сигналы и помехи
шумы обусловлены хаотическим движением электронов в проводниках и при- сущи практически всем элементам электрической цепи. Одним из наиболее эф- фективных приемов уменьшения этой составляющей помех является снижение температуры элементов этой цепи. Дробовые шумы характерны для так называе- мых активных приборов электрической цепи (биполярные и полевые транзисторы,
электронно-вакуумные и газоразрядные лампы и так далее) и возникают в усилите- лях, преобразователях, модуляторах и т. д. Для уменьшения доли дробовых помех используют приборы с улучшенными шумовыми характеристиками.
Наибольшее влияние на характеристики связи имеют шумы приемной антенны и входных каскадов приемника. Это обусловлено тем, что шумы каскадов, распо- ложенных ближе к входу приемника, получают такое же усиление, как и прини- маемые сигналы. Шумы последующих каскадов усиливаются в меньшей степени,
поэтому их вклад в результирующий шум на выходе приемника значительно мень- ше, чем шумов, поступающих с входных устройств.
Внутренние шумы электронных устройств проявляются во всех частотных диа- пазонах, используемых в радиосвязи. Удельный вес внутренних шумов возрастает с увеличением частоты, и в диапазоне сверхвысоких частот их значение становит- ся преобладающим, так как доля остальных видов помех может быть значительно снижена.
Внешние помехи обусловлены действием источников помех, не вызванных функционированием данного канала связи. По месту возникновения эти помехи можно разделить на следующие составляющие.
Атмосферные помехи обусловлены электрическими явлениями в атмосфере
(грозы, молнии и т. д.). Спектр атмосферных помех сосредоточен преимуществен- но в области низких частот, и наибольшее влияние атмосферные помехи оказывают на средства радиосвязи длинноволнового диапазона.
Космические шумы вызываются радиоизлучением каких-либо объектов космо- са, например каких-либо созвездий. Солнце также является источником излучений в радиодиапазоне. На шумовые характеристики излучения Солнца, в частности,
влияют солнечные пятна. Космические шумы оказывают наибольшее влияние на системы спутниковой связи, особенно при совпадении направлений приема полез- ных сигналов и источников шумовых излучений.
Индустриальные помехи вызываются непреднамеренным электромагнитным излучением электрического или электронного оборудования. В их числе могут быть установки промышленного, транспортного, медицинского, научного назна- чения. Источником подобного излучения обычно выступают цепи, в которых осу- ществляется коммутация сильных токов, сварочные аппараты, коллекторные элек- тродвигатели и т. д. Уровень таких незапланированных излучений ограничивается нормами на предельно-допустимые уровни излучения. На местах возникновения таких помех принимаются меры для уменьшения уровня излучения.
Спектр индустриальных помех тяготеет к низкочастотному диапазону, и уро- вень частотных составляющих помехи падает с ростом частоты. В то же время современные электронные устройства, не предназначенные для работы с радио- волнами, являются источниками радиоизлучения. В первую очередь это касается цифровых устройств, например компьютеров. Спектр излучения таких устройств определяется быстродействием его основных процессов и распространяется в об- ласть высоких частот.

4.4 Помехи радиосвязи
43
Еще одним источником помех радиосвязи являются побочные излучения ра- диосредств. Причина их возникновения заключается в следующем. Каждому сред- ству радиосвязи для его нормального функционирования в общем частотном диа- пазоне выделяется определенная полоса частот. Эта полоса частот определяется государственными органами с учетом международных соглашений. Эти органы определяют не только диапазон разрешенных для работы частот, но и определяют уровни внеполосного излучения, то есть те уровни побочного излучения, которые могут вырабатываться данным устройством вне полосы разрешенных частот.
В реальных устройствах побочное излучение практически всегда существует и может влиять на характеристики радиосвязи других систем. Например, пусть приемник принимает слабые сигналы с частотой f
1
, а неподалеку работает ис- точник радиосигналов с частотой, равной f
1
2. Если уровень подавления второй гармоники этого источника радиосигналов будет недостаточным, то побочное из- лучение второй гармоники, излучаемое этим источником и равное 2 f
1
2 f
1
, будет мешать приему других сигналов с частотой f
1
Помехи могут быть классифицированы и по другим признакам.
Например, по длительности существования помех их можно разделить на им- пульсные и непрерывные помехи.
По характеру распределения энергии помех по частотному диапазону разделя- ют сосредоточенные по спектру и распределенные помехи.
По характеру взаимодействия с сигналом помехи можно разделить на адди- тивные и мультипликативные. При аддитивных помехах результат взаимодействия сигнала s
ˆt и помехи nˆt представляют их суммой:
x
ˆt sˆt nˆt;
(4.15)
при мультипликативных помехах на результат обработки принимаемых сигналов влияет их произведение s
ˆt nˆt.
Приемы борьбы с помехами заключаются в обеспечении такого уровня сиг- нала в месте приема, который бы обеспечил требуемое качество принимаемого сигнала. Одной из важнейших характеристик принимаемого сигнала является от- ношение мощности сигнала к мощности шума. Этот параметр в радиотехнике так и называется — отношение сигнал/шум. Это отношение в месте приема может быть увеличено различными способами, например увеличением мощности передатчика системы связи, применением передающей или приемной антенны с направленны- ми свойствами (если это позволяют условия эксплуатации для данной системы связи). Отношение сигнал/шум можно увеличить при снижении уровня шумов.
Например, долю внутренних шумов можно уменьшить, применяя во входных кас- кадах приемника малошумящие усилители.
Другие методы повышения качества принимаемых сигналов связаны с приме- нением сложных сигналов и методов их обработки, обеспечивающих увеличение отношения сигнал/шум на выходе приемного устройства.

44
Глава 4. Сигналы и помехи
Контрольные вопросы по главе 4 1) Какие элементарные функции используются для описания сигналов в связи?
2) Почему гармонические колебания широко используются для описания сигналов?
3) В чем заключается сущность гармонического анализа периодических сигналов?
4) Как может быть выполнен синтез периодических сигналов?
5) Что понимают под первичным сигналом электросвязи?
6) Какие параметры характеризуют сигналы электрической связи?
7) По каким признакам классифицируются помехи при передаче сигналов электросвязи?

Глава 5
МОДУЛЯЦИЯ
5.1 Общие сведения о модуляции
Электрические сигналы, несущие информацию о человеческой речи, видимом изображении (и так далее), имеют такой спектральный состав, который затрудняет их непосредственное использование в радиосвязи. Во-первых, для эффективного излучения и приема колебаний с таким спектром понадобились бы антенны очень больших размеров. Во-вторых, поскольку сигналы от одного типа источников име- ют приблизительно одинаковый спектр, то при одновременном излучении сигна- лов одинакового спектрального состава от нескольких источников на приемном конце будет невозможно выделить сигнал от интересующего источника. Ситуация в радиоэфире в этом случае будет напоминать галдеж на рыночной площади в ба- зарный день.
Лучшие характеристики при распространении радиоволн имеют колебания с более высокой частотой. Эти колебания и используют для переноса информа- ции (их и называют несущими колебаниями). Однако само несущее колебание яв- ляется периодическим и новой информации получателю не доставляет. Для того,
чтобы несущее колебание отражало передаваемую информацию, нужно один или несколько параметров несущего колебания связать с передаваемым сообщением.
Процесс изменения какого-либо из параметров несущего колебания по закону пе- редаваемого сообщения называется модуляцией.
В качестве несущего колебания наиболее часто используют гармо- ническое колебание.
В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания — амплитуда,
частота или начальная фаза несущего колебания — изменяется по закону переда- ваемого сообщения, различают виды модуляции: соответственно амплитудная, ча-

46
Глава 5. Модуляция
стотная или фазовая. Сигнал, получаемый в процессе модуляции, называют моду- лированным колебанием, или радиосигналом. Если в качестве несущего колебания используют последовательность импульсов, то в результате модуляции изменяют параметры последовательности импульсов: амплитуду, временное положение, дли- тельность импульса. Соответственно процесс называют амплитудно-импульсной модуляцией, время-импульсной модуляцией, широтно-импульсной модуляцией.
Если в результате модуляции формируют код, соответствующий какому-либо из этих параметров, и представляют его набором импульсов, то такой вид модуляции называют кодово-импульсной.
Для того, чтобы на приемном конце можно было разделить сигналы от разных источников, используют какой-либо отличительный признак несущего колебания.
Наиболее часто в качестве такого отличительного признака является частота несу- щего колебания. В таком случае говорят о частотном разделении сигналов. На приемном конце устанавливается устройство, реагирующее только на сигнал с за- ранее определенным отличительным признаком. При частотном разделении сиг- налов в качестве обнаружителя отличительного признака используют частотные фильтры, настроенные на частоту выбранного несущего колебания. На выход та- кого фильтра проходит сигнал только с выбранной несущей частотой, несмотря на то, что на вход фильтра поступают все сигналы, наведенные в приемной антенне.
В технике связи могут быть использованы сигналы и с другими отличительными признаками.
После выбора несущего колебания с выбранным отличительным признаком выделяют информацию, заключенную в модуляции какого-либо из параметров вы- бранного несущего колебания. На этом этапе обработки принимаемого сигнала выполняют операции, обратные операциям модуляции, выполняемым при переда- че сигнала, и данный этап преобразований сигналов называют демодуляцией.
5.2 Амплитудная модуляция
В процессе амплитудной модуляции амплитуда U
0
несущего колебания u
0
ˆt
U
0
cos
ˆω
0
t
3 перестает быть постоянной и изменяется по закону передаваемого сообщения. Амплитуда U
ˆt несущего колебания может быть связана с передавае- мым сообщением соотношением:
U
ˆt U
0
k
A
e
ˆt,
(5.1)
где U
0
— амплитуда несущего колебания в отсутствии сообщения (немодулирован- ное колебание); e
ˆt — функция, зависящая от времени, соответствующая переда- ваемому сообщению (ее называют модулирующим сигналом); k
A
— коэффициент пропорциональности, отражающий степень влияния модулирующего сигнала на величину изменения амплитуды результирующего сигнала (модулированного ко- лебания).
Выражение для амплитудно-модулированного сигнала в общем случае имеет вид:
u
AM
ˆt U
0
k
A
e
ˆt cosˆω
0
t
3.
(5.2)
Простейший для анализа случай амплитудно-модулированного колебания по- лучается, если в качестве модулирующего сигнала используется гармоническое колебание (такой случай называется тональной модуляцией):

5.2 Амплитудная модуляция
47
e
ˆt E cosˆΩt ȍ,
(5.3)
где E — амплитуда,
Ω — угловая частота; Θ — начальная фаза модулирующего сигнала.
Для упрощения анализа будем полагать начальные фазы колебаний равными нулю (т. е.
3 0, Θ 0), что не повлияет на общность выводов. Тогда для тональной амплитудной модуляции можно записать:
u
AM
ˆt U
0
k
A
E cos
Ωt cos ω
0
t
U
0 1
M
A
cos
Ωt cos ω
0
t,
(5.4)
где M
A
E
U
0
— коэффициент амплитудной модуляции (иногда говорят — глубина амплитудной модуляции).
Для определения спектра амплитудно-модулированного колебания выполним несложные преобразования выражения (5.4):
u
AM
ˆt U
0
cos
ω
0
t
M
A
E cos
Ωt cos ω
0
t
U
0
cos
ω
0
t


U
0
M
A
2
cos
ˆω ٍt
U
0
M
A
2
cos
ˆω ٍt.
(5.5)
Из анализа выражения (5.5) следует, что при амплитудной модуляции гар- моническим колебанием спектр амплитудно-модулированного сигнала содержит три гармонические составляющие. Гармоническая составляющая с частотой, рав- ной
ω
0
, представляет собой исходную немодулированную несущую с частотой
ω
0
и амплитудой U
0
. Гармонические составляющие с частотами, равными
ˆω
0
ٍ
и
ˆω
0
ٍ, представляют собой продукт амплитудной модуляции и называются соответственно нижней и верхней боковыми составляющими. Амплитуды боко- вых составляющих одинаковы, равны U
0
M
A
2 и расположены симметрично отно- сительно несущей частоты
ω
0
на расстоянии, равном
Ω. Таким образом, ширина полосы частот
∆ω, занимаемая амплитудно-модулированным колебанием при мо- дуляции гармоническим сигналом с частотой
Ω, равна ∆ω 2Ω.
Графики несущего колебания u
0
ˆt, модулирующего сигнала eˆt и амплитудно- модулированного сигнала u
AM
ˆt приведены на рисунке 5.1.
При отсутствии модуляции (M
A
0) амплитуды боковых составляющих рав- ны нулю и спектр амплитудно-модулированного сигнала состоит только из несу- щего колебания с частотой
ω
0
. При коэффициенте амплитудной модуляции M
A
@
@ 1 амплитуда результирующего колебания изменяется от максимального значения
U
MAX
U
0
ˆ1 M
A
 до минимального U
MIN
U
0
ˆ1 M
A
. Таким образом, коэффи- циент M
A
амплитудной модуляции может быть определен как:
M
A
U
MAX
U
MIN
U
MAX
U
MIN
.
(5.6)
При коэффициенте амплитудной модуляции M
A
A 1 возникают искажения, на- зываемые перемодуляцией (рисунок 5.2). Такие искажения могут приводить к по- тере информации, и их стараются не допускать.
Подобный подход можно применить и к анализу амплитудно-модулированных колебаний сложной формы. В этом случае периодический модулирующий сиг- нал может быть представлен набором гармонических составляющих, частота ко- торых кратна периоду исходного сигнала. Каждая из гармоник модулирующего

48

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

Глава 5. Модуляция
Рис. 5.1 – Тональная амплитудная модуляция:
а) несущее колебание и его спектр (б); в) модулирующий сигнал и его спектр (г);
д) амплитудно-модулированное колебание и его спектр (е)
Рис. 5.2 – Тональная амплитудная модуляция при коэффициенте M
A
A 1:
а) модулирующий сигнал;
б) амплитудно-модулированное колебание и его спектр (в)
сигнала сформирует в спектре амплитудно-модулированного колебания две бо- ковые составляющие, симметрично отстоящие от несущей на величину, равную частоте соответствующей гармоники. Для примера, если спектр модулирующе-

5.3 Частотная модуляция
49
го сигнала имеет вид, представленный на рисунке 5.3, а, то спектр амплитудно- модулированного колебания может быть представлен диаграммой, приведенной на рисунке 5.3, б.
Рис. 5.3 – Спектры сигналов: а) модулирующего сигнала;
б) амплитудно-модулированного колебания
В общем случае, ширина П
AM
спектра амплитудно-модулированного колебания
(диапазон частот, необходимый для передачи сигнала в канале связи) равна:
П
AM
2
Ω
B
,
(5.7)
где
Ω
B
— верхняя (наибольшая) частота в спектре модулирующего сигнала.
5.3 Частотная модуляция
Если при амплитудной модуляции частота
ω
0
и начальная фаза
3 несущего колебания сохраняются неизменными, а по закону передаваемого сообщения e
ˆt
изменяется амплитуда U
0
, то при угловой модуляции амплитуда U
0
сохраняется постоянной, а изменяться может частота либо начальная фаза несущего колеба- ния. Поскольку частота и начальная фаза являются составляющими обобщенного угла несущего колебания
ωˆt 3ˆt, то такую модуляцию называют угловой.
В зависимости от того, какой из параметров обобщенного угла, частота
ωˆt или начальная фаза
3ˆt, несет информацию о передаваемом сообщении eˆt, различа- ют частотную либо фазовую модуляцию.
При частотной модуляции амплитуда несущего колебания U
0
сохраняется по- стоянной, а частота несущего колебания
ωˆt определяется модулирующим сигна- лом e
ˆt в соответствии с выражением:
ωˆt ω
0
k
ЧМ
e
ˆt,
(5.8)
где k
ЧМ
— коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение
∆ω
ЧМ
ча- стоты
ωˆt от своего номинального значения ω
0
, равное
∆ω
ЧМ
ωˆt ω
0
, и вели- чину модулирующего напряжения e
ˆt, вызывающего это отклонение.
Максимальное отклонение частоты, вызываемое максимальным модулирую- щим напряжением, называют девиацией частоты.

50
Глава 5. Модуляция
При модулирующем сигнале в виде гармонического напряжения:
e
ˆt E cosˆΩt ȍ
мгновенное значение частоты частотно-модулированного колебания изменяется по закону:
ωˆt ω
0
k
ЧМ
E cos
ˆΩt ȍ.
(5.9)
Временные диаграммы несущего и модулирующего колебаний, а также частот- но-модулированного сигнала приведены на рисунке 5.4.
Рис. 5.4 – Частотная модуляция: а) колебание с постоянной частотой;
б) модулирующий сигнал; в) частотно-модулированное колебание
Связь между спектрами модулирующего и формируемого им частотно-моду- лированного сигнала выражается не такими простыми выражениями, как при ам- плитудной модуляции, и определяется соотношением между отклонением частоты результирующего частотно-модулированного колебания, вызываемого модулирую- щим сигналом, и скоростью изменения этого отклонения частоты.
В частности, пусть тональная модуляция гармоническим сигналом с часто- той
ω вызывает отклонение частоты с девиацией, равной ∆ω
ЧМ
. Тогда в слу- чае «быстрой» модуляции (при
∆ω
ЧМ
P ω) полоса частот, занимаемая частотно- модулированным колебанием, определяется наибольшей частотой спектра модули- рующего сигнала:
П
ЧМ
2Ω.
(5.10)
В случае «медленной» модуляции (при
∆ω
ЧМ
Q ω) частотный диапазон частот- но-модулированного колебания определяется величиной девиации частоты
∆ω
ЧМ
:
П
ЧМ
2∆ω
ЧМ
.
(5.11)
5.4 Фазовая модуляция
При фазовой модуляции амплитуда несущего колебания U
0
сохраняется посто- янной, а фаза несущего колебания
3ˆt связана с модулирующим напряжением eˆt
зависимостью:
3ˆt ω
0
t
k
ФМ
e
ˆt 3 0
,
(5.12)

5.4 Фазовая модуляция
51
где k
ФМ
— коэффициент пропорциональности, определяющий связь между модули- рующим напряжением e
ˆt и дополнительным приращением полной фазы резуль- тирующего фазомодулированного колебания.
При модуляции фазы по гармоническому закону:
e
ˆt E cosˆΩt ȍ
полная фаза фазомодулированного колебания принимает значение:
3ˆt ω
0
t
k
ФМ
E cos
ˆΩt ȍ 3 0
.
(5.13)
Максимальное дополнительное отклонение фазы несущего колебания относи- тельно регулярного значения
ω
0
t характеризуется индексом фазовой модуляции M
ФM
:
M
ФM
k
ФМ
E.
(5.14)
Таким образом, полное описание фазомодулированного колебания, модулиро- ванного тональным сигналом, имеет вид:
u
ФM
ˆt U
0
cos
ω
0
t
k
ФМ
E cos
ˆΩt ȍ 3 0
.
(5.15)
Временные диаграммы модулирующего и несущего сигналов, а также фазомо- дулированного колебания приведены на рисунке 5.5.
Рис. 5.5 – Фазовая модуляция: а) модулирующий сигнал; б) несущее колебание
(штриховая линия) и фазомодулированное колебание (сплошная линия)
Определение спектра фазомодулированного сигнала даже в случае простых модулирующих сигналов представляет собой достаточно сложную задачу. Исклю- чение составляет случай с малым индексом фазовой модуляции (M
ФM
P 1). В этом случае при нулевых начальных сдвигах фаз (
Θ
0 и
3 0
0) напряжение (5.15)
можно представить в виде:
u
ФM
ˆt U
0
cos
ω
0
t
M
ФM
cos
Ωt U
0
cos
ˆω
0
t
 cosˆM
ФM
cos
Ωt
U
0
sin
ˆω
0
t
 sinˆM
ФM
cos
Ωt.
(5.16)
В силу малости аргумента (M
ФM
cos
Ωt P 1) тригонометрических функций cos
ˆM
ФM
cos
Ωt и sinˆM
ФM
cos
Ωt справедливы приближенные соотношения

52
Глава 5. Модуляция
cos
ˆM
ФM
cos
Ωt 1 и sinˆM
ФM
cos
Ωt M
ФM
cos
Ωt. С учетом этих прибли- жений выражение (5.16) приводится к виду:
u
ФM
ˆt U
0
cos
ω
0
t

U
0
M
ФM
2
cos
ˆω
0
ٍt
U
0
M
ФM
2
cos
ˆω
0
ٍt.
(5.17)
По своему виду выражение (5.17) для фазомодулированных колебаний при
M
ФM
P 1 напоминает выражение для амплитудно-модулированных колеба- ний (5.5): несущее колебание с частотой
ω
0
и амплитудой U
0
и две боковые со- ставляющие с одинаковыми амплитудами, равными U
0
M
A
2, и частотами, равны- ми
ˆω
0
ٍ и ˆω
0
ٍ. Различие в составе спектров амплитудно-модулированных и фазомодулированных колебаний заключается лишь в том, что в этих колебаниях компоненты с частотой, равной
ˆω
0
ٍ, имеют противоположные знаки. Полоса частот, занимаемая фазомодулированным сигналом, в этом случае также равна:
П
ФM
2Ω.
(5.18)
При больших индексах фазовой модуляции (M
ФM
A 1) зависимость между по- лосами частот, занимаемыми модулирующим и фазомодулированным сигналами,
подчиняется более сложным выражениям, чем, например, соотношение (5.18).
5.5 Модулирование импульсных последовательностей
Наряду с модулированием гармонических несущих в различных радиотехни- ческих устройствах находят модулирование импульсных последовательностей (так называемая импульсная модуляция). Уточняющее название вида импульсной мо- дуляции определяется тем параметром последовательности импульсов, который подвергается модуляции. Форма несущего импульсного колебания и продукты мо- дуляции последовательности импульсов при модуляции гармоническим сигналом приведены на рисунке 5.6.
При модуляции амплитуды последовательности импульсов по закону переда- ваемого сообщения при их постоянной длительности имеет место амплитудно- импульсная модуляция (АИМ — рисунок 5.6, в). При изменении длительности по- следовательности импульсов при их постоянной амплитуде говорят, что имеет ме- сто широтно-импульсная модуляция (ШИМ — рисунок 5.6, г). При изменении вре- менного положения импульсов говорят о времяимпульсной модуляции (ВИМ —
рисунок 5.6, д).
В системах связи часто имеют дело с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ —
рисунок 5.6, е). В этом случае значение аналогового модулирующего сигнала в каждый тактируемый момент преобразуется в цифровой код. Продуктом модуля- ции является последовательность импульсов, соответствующая этому коду в дан- ном интервале времени. ИКМ-сигнал — это одна из форм представления цифрового сигнала.
В радиосвязи импульсная модуляция нередко является промежуточным этапом подготовки сигналов для передачи при комбинированных видах модуляции.
В технике радиосвязи импульсно-модулированные колебания вырабатываются на промежуточных этапах формирования передаваемых сигналов при комбиниро- ванных видах модуляции.

Контрольные вопросы по главе 5
53
Рис. 5.6 – Модуляция импульсной последовательности: а) несущая последовательность импульсов; б) модулирующий сигнал;
в) амплитудно-импульсная модуляция; г) широтно-импульсная модуляция;
д) времяимпульсная модуляция; е) импульсно-кодовая модуляция
Контрольные вопросы по главе 5 1) Что такое модуляция сигналов? С какой целью она используется в радио- связи?
2) Что происходит в результате амплитудной модуляции сигналов?
3) Основные характеристики сигналов при амплитудной модуляции?
4) Как ведут себя параметры гармонического сигнала при частотной модуляции?
5) Как изменяются параметры гармонического сигнала в результате фазовой модуляции?
6) Чем определяется ширина спектра модулированного сигнала при разных видах модуляции?
7) Какие виды модуляции импульсных последовательностей используются в связи?

Глава 6
РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
6.1 Общие сведения о радиоволнах
В беспроводной электросвязи непосредственное соединение между источни- ками и получателями сигналов в виде электрических или оптических кабелей от- сутствует. Средства радиосвязи, радиовещания и телевидения в качестве среды распространения электромагнитных волн обычно используют атмосферу Земли.
Основные параметры системы связи в значительной степени определяются харак- теристиками распространения электромагнитных волн. Рассмотрим их подробнее.
Из курса физики известно, что проводник, по которому протекает постоянный электрический ток, создает в окружающем пространстве постоянное магнитное поле. В общем случае, практически любой отрезок проводника при протекании по нему переменного тока является источником переменного электромагнитного по- ля. Особенностью переменного электромагнитного поля является его способность распространяться в окружающем пространстве.
В свободном пространстве электромагнитные колебания распространяются прямолинейно и равномерно, то есть с постоянной скоростью, равной скорости света (c
3 10 8
м/с). На распространение электромагнитных волн в несвободном пространстве существенное влияние оказывает окружающая среда. В частности,
распространение радиоволн в условиях Земли зависит от многих факторов: релье- фа местности, климатических условий, времени суток и года и, в первую очередь,
от длины волны этого колебания.
Электромагнитные волны, расположенные в диапазоне частот от 10 до 10 13
Гц,
используются в радиотехнике и называются радиоволнами. Международная клас- сификация диапазонов радиоволн приведена в таблице 6.1. Длина волны
λ элек- тромагнитного колебания связана с частотой f этого колебания и скоростью c рас- пространения электромагнитных волн в свободном пространстве соотношением:
λ
c
f
.
(6.1)

6.1 Общие сведения о радиоволнах
55
Таблица 6.1
Наименования волн
Диапазон волн
Диапазон частот
Декамегаметровые
10 5
. . .10 4
км
3. . .30 Гц
Мегаметровые
10 4
. . .10 3
км
30. . .300 Гц
Гектокилометровые
10 3
. . .10 2
км
300. . .3000 Гц
Мириаметровые
100. . .10 км
3. . .30 кГц
Километровые
10. . .1 км
30. . .300 кГц
Гектометровые
1000. . .100 м
300. . .3000 кГц
Декаметровые
100. . .10 м
3. . .30 МГц
Метровые
10. . .1 м
30. . .300 МГц
Дециметровые
100. . .10 см
300. . .3000 МГц
Сантиметровые
10. . .1 см
3. . .30 ГГц
Миллиметровые
10. . .1 мм
30. . .300 ГГц
Децимиллиметровые
1. . .0,1 мм
300. . .3000 ГГц
Упрощенный механизм формирования электромагнитного поля можно пред- ставить следующим образом. Протекающий по проводнику переменный ток в со- ответствии с законом электромагнитной индукции будет возбуждать в простран- стве, окружающем диполь, переменное магнитное поле. Изменяющееся магнит- ное поле, в свою очередь, порождает в окружающем пространстве переменное электрическое поле. В процессе взаимного преобразования изменяющегося маг- нитного поля в электрическое, а переменного электрического поля в магнитное образуется единое электромагнитное поле. Явление возбуждения в пространстве электромагнитного поля переменным током, протекающим в проводнике, называ- ется электромагнитным излучением.
В общем случае любой отрезок проводника, по которому протекает перемен- ный ток, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Эти явления связаны принципом двойственности: в любом отрезке проводника, находящемся в электромагнитном поле, индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС).
Величина ЭДС, наводимой в проводнике, зависит как от энергии электромагнитно- го поля, так и от конфигурации проводника и соотношения его размеров и длины волны электромагнитных колебаний.
Для оценки энергетических характеристик электромагнитных волн использу- ют плотность потока мощности, проходящей через единицу площади, перпенди- кулярной направлению распространения волны. Если предположить, что источник излучения точечный (на практике это означает, что размеры источника излучения пренебрежимо малы по сравнению с длиной волны излучаемого колебания), то можно считать, что электромагнитная волна будет равномерно излучаться во всех направлениях. На удалении R от источника излучения плотность потока мощности
П, создаваемой точечным источником, одинакова и определяется выражением:
П
P
T
4
πR
2
,
(6.2)
где P
T
— мощность источника излучения.
Дальность действия системы связи определяется мощностью передатчика и чувствительностью приемника. Напряженности электрической и магнитной со-

56
Глава 6. Распространение радиоволн
ставляющих электромагнитного поля, создаваемого этим источником, определя- ются мощностью излучения источника P
T
и удалением R от источника. Так, для оценки напряженности электрического поля E
T
при распространении радиоволн в свободном пространстве можно использовать приближенное соотношение:
E
T
º
30P
T
R
.
(6.3)
6.2 Физические характеристики среды распространения радиоволн
Радиоволны являются одним из диапазонов электромагнитных волн, поэтому распространение радиоволн подчиняется общим законам распространения элек- тромагнитных колебаний (так же, как и световых волн). Распространение радио- волн в условиях Земли имеет некоторые существенные отличия от распростра- нения радиоволн в свободном пространстве. Поверхностные слои Земли и око- лоземного пространства представляют собой среды с разными характеристиками для распространения электромагнитного поля. Так же, как и для оптических волн,
на границе сред с различными электрическими характеристиками (например, зем- ля — околоземное пространство) возможно отражение и преломление радиоволн.
В то же время и сама поверхность Земли, и околоземное пространство представля- ют собой неоднородные среды с различными электрическими параметрами (элек- тропроводностью, диэлектрической проницаемостью и т. д.). Поэтому при распро- странении электромагнитных волн в неоднородных средах могут изменяться как направление, так и скорость распространения электромагнитной энергии (рефрак-
ция). Дополнительное поглощение энергии радиоволн наблюдается при их распро- странении в средах с потерями.
Существенной особенностью распространения радиоволн в земных условиях является зависимость характеристик распространения от длины волны. Распро- странение радиоволн вдоль земной поверхности зависит от ее рельефа и физиче- ских свойств.
Наиболее важными электрическими параметрами почвы являются ее электропроводность и диэлектрическая проницаемость.
Эти характеристики определяют параметры отраженных и преломленных волн на границе раздела двух сред. Электропроводность почвы определяет также поте-
ри энергии при распространении волн. Потери энергии при распространении ра- диоволн отсутствуют, если поверхность Земли можно считать идеальным провод- ником либо идеальным диэлектриком. В реальных условиях распространяющиеся над поверхностью земли электромагнитные колебания наводят в почве индукци- онные токи. При протекании этих токов в почве выделяется тепло. В конечном итоге это вызывает безвозвратные потери распространяющейся электромагнитной волны. Эти потери растут с ростом частоты.

6.2 Физические характеристики среды распространения радиоволн
57
Не менее важное влияние на распространение радиоволн в око- лоземном пространстве играет земная атмосфера (газообразная оболочка Земли). По комплексу физических признаков атмосферу принято делить на три характерных слоя: тропосферу, стратосфе- ру и ионосферу.
Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, расположенный от поверхности Земли до высот порядка 10–20 км. Свойства тропосферы определя- ются смесью газов (азот, кислород и т. д.) и водяных паров. С высотой температура и давление воздуха, а также содержание водяных паров в тропосфере понижаются.
Таким образом, тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам. Кро- ме того, изменение метеоусловий приводит к образованию воздушных течений,
вызывающих интенсивные перемешивания слоев тропосферы.
Стратосфера — слой атмосферы, лежащий над тропосферой, простирающий- ся до высот порядка 60–80 км. Признаком перехода к стратосфере является пре- кращение понижения ее температуры с высотой (в верхних слоях тропосферы тем- пература опускается до
(50. . .60)‰). Плотность газов в стратосфере значительно меньше, чем в тропосфере. Электрические свойства стратосферы практически не изменяются, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно и почти без потерь.
Ионосферой называется верхний слой ионизированной атмосферы, окружаю- щей Землю (до высот порядка нескольких тысяч километров). Под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей солнца из атомов газа, состав- ляющих атмосферу, выбиваются электроны, в результате чего образуются поло- жительные ионы газа и свободные электроны. При встрече свободного электрона с ионизированным атомом происходит их объединение (рекомбинация). На боль- ших высотах плотность атмосферы низка, поэтому вероятность встречи свободно- го электрона с ионом газа мала, и значительная часть газа оказывается ионизиро- ванной. Ионизированный газ обладает электропроводностью и способен изменить характеристики распространения электромагнитных колебаний. Чем больше кон- центрация свободных электронов, тем сильнее они влияют на распространение радиоволн. Степень ионизации газа определяется многими факторами.
Во-первых, поскольку основной причиной ионизации является излучение
Солнца, то понятно, что процессы ионизации активнее происходят на участках земной атмосферы, обращенной к Солнцу. Соответственно, в дневное время в про- цессе ионизации возникает большее количество свободных электронов и ионизи- рованных молекул, чем в ночные часы. Кроме того, рост интенсивности солнеч- ного излучения в дневное время приводит к ионизации слоев атмосферы, распо- ложенных ближе к поверхности Земли, т. е. к снижению высоты ионизированных газов.
Во-вторых, на высоте в сотни километров от поверхности Земли газовый со- став атмосферы перестает быть однородным. На этих высотах наблюдается рассло- ение газов, составляющих воздух: более тяжелые газы занимают преимуществен- но нижнюю часть этого диапазона высот, более легкие газы способны подниматься и до более высоких отметок.

58

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18