Файл: Oporny_konspekt.doc

или импульс напряжения отрицательной полярности.

Такие сигналы называют цифровыми или двоичными. Для отображения знаков алфавита с помощью набора 1 и 0 используют специальные коды, с помощью которых каждый знак алфавита представляется двоичным числом или кодовой комбинацией. Кодирование и декодирование осуществляется в терминале.

Системы, предназначенные для передачи непрерывных сигналов, называют непрерывными или аналоговыми, а системы, предназначенные для передачи дискретных сигналов, называют дискретными или цифровыми системами. Непрерывные сигналы во временной области характеризуются динамическим диапазоном - областью, в пределах которой изменяется значение сигнала, и полосой занимаемых частот. Цифровые сигналы характеризуются длительностью t_о или скоростью передачи V – числом сигналов, передаваемых в единицу времени. Эта величина измеряется в Бодах (1 Бод равен одному двоичному сигналу в секунду): V (Бод) = 1/ t_о (с). Для передачи двоичных сигналов также требуется некоторая полоса частот, которая зависит от скорости передачи t_о.

Любой непрерывный сигнал может быть представлен в виде цифрового с помощью процедур дискретизации по времени, квантования по уровням и кодирования (соответствующее устройство преобразования называют аналого-цифровым преобразователем - АЦП) и передан по цифровой системе передачи. Обратная процедура восстановления непрерывного сигнала из дискретного реализуется с помощью цифро-аналогового преобразователя - ЦАП.

Элементы кодирования и теории информации

Кодом называют таблицу, в которой каждому знаку алфавита ставится в соответствие набор двоичных элементов (их условно обозначают 1 и 0) - кодовая комбинация. При технической реализации системы передачи цифровой информации элементам кода 1 и 0 соответствуют два различных сигнала, например, прямоугольный импульс положительного напряжения длительностью t_o и импульс отрицательного напряжения (или пауза) той же длительности. Различают неравномерные и равномерные коды. Примером неравномерного кода является код Морзе - знаки алфавита кода Морзе имеют разную длину, причем часто встречающиеся знаки имеют короткие кодовые комбинации, редко встречающиеся - более длинные. Например, букве букве "а" - точка, пауза длительностью t_о и тире, длительность которого равна 3 t_о. Такая структура кода обеспечивает экономию времени при передаче сообщения и имеет музыкальную окраску, что облегчает прием сообщения на слух, но неудобна при автоматическом приеме с помощью специальных технических устройств.

Пример кодовых комбинаций кода Морзе (однополярные посылки)

1 0 1 1 1

"а"  ▬

t_о 3t_о

Каждый двоичный элемент кодовой комбинации (1 или 0)содержит определенное количество информации, равное 1 биту (bit - binary digiT), скорость передачи информации измеряется в значениях бит/с. При передаче только информационных сигналов 1 бит/с численно равен 1 Боду.

Спектры сигналов

Физические сигналы обычно описываются функциями времени. Однако, при передаче информации с помощью гармонических электромагнитных волн удобно представлять сигналы в частотной области.

Физический смысл спектра заключается в том, что он определяет совокупность гармонических составляющих (с заданными амплитудами и частотами), формирующих заданную форму сигнала во временной области. В общем случае спектр сигналов, ограниченных во времени, бесконечен, т.е. для получения заданной формы сигнала необходимо бесконечно большое число гармоник, однако амплитуды гармоник падают с ростом частоты. Это позволяет ограничить реальный спектр некоторой полосой частот, достаточной для обеспечения воспроизведения сигналов с требуемой точностью.

Без ущерба для разборчивости речи диапазон частот речевого сигнала в телефонных сетях ограничивают полосой 300...3400 Гц.

В морской радиосвязи в соответствии с требованиями Регламента радиосвязи в КВ-диапазоне верхняя частота телефонного сигнала не должна превышать 3000 Гц.

Известно, что в радиовещательном сигнале для удовле­творительного качества его воспроизведения можно верхнюю частоту ограничить 4,5 кГц (а при передаче речи по телефо­ну - даже 3,4 кГц). В этом случае полоса частот, необходи­мая для передачи такого сообщения с помощью AM, составит 9 кГц. Именно она выделяется для организации одно­го радиоканала в диапазонах ДВ, СВ и КВ. Спектр звуковых сигналов, воспринимаемых человеком, содержит гармонические составляющие от 20 Гц до 20000 Гц. Спектр музыкаль­ного сигнала в основном сосредоточен в полосе частот 10 кГц, а при высококачественном воспроизведении - до 15 кГц. Следовательно, при передаче таких сигналов с помощью ам­плитудной модуляции соответствующая полоса частот долж­на составлять 20 и 30 кГц.

МОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ

Модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров несущего вы­сокочастотного колебания в соответствии с изменением пара­метров передаваемого сигнала.

Ток низких частот свободно распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромагнитных волн на этих частотах чрезвычайно затруднен. Для передачи сигналов на большие расстояния с помощью электромагнитных волн необходимо перенести спектр низкочастотного сигнала в область высоких частот (радиочастот). Этот перенос спектра называют модуляцией, которая осуществляется с помощью модулятора. В качестве несущего обычно используется гармоническое колебание, которое характери­зуется тремя параметрами - амплитудой, частотой и фазой.

Суть модуляции заключается в том, что один из параметров высокочастотного гармонического колебания (его называют несущим колебанием, а частоту – несущей частотой) изменяется по закону низкочастотного (управляющего) сигнала, содержащего передаваемое сообщение.

Если пропорционально передаваемому сигналу изменяется амплитуда, то результирующий сигнал называется амплитудно-модулированным (AM), если частота - час­тотно-модулированным (ЧМ), если фаза - то фазомодулированным (ФМ).

Причем в рассматриваемых случаях при изменении лю­бого из указанных параметров два других остаются неизмен­ными. Частотная модуляция тесно связана с фазовой, так как частота колебания — это скорость изменения его фазы, поэто­му вместо ФМ обычно используют фазовую манипуляцию, при которой фаза сигнала изменяется скачками на 180° .

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда несущего высокочастотного колебания изменяется по закону управляющего сигнала. Рассмотрим простейший случай АМ колебания, когда управляющим сигналом является также гармоническое колебание.

Амплитудно-модулированное колебание (АМК) имеет вид:

Uам = U_ocos2f_ot + 0.5Mcos2(f_o+F_o)t + 0.5Мcos2(f_o+F_o)t

Где М – глубина амплитудной модуляции,

U_o – амплитуда высокочастотного несущего колебания,

f₀ – частота высокочастотного заполнения,

F₀ – частота низкочастотной огибающей.

Отсюда видно, что исходный низкочастотный сигнал (с частотой F_o) в результате модуляции переносится в область радиочастот (f_o). Спектр модулированного колебания содержит несущую (f_o) и две боковые частоты - верхнюю с частотой (f_o+F_o) и нижнюю с частотой (f_o-F₀).

В общем случае, когда спектр управляющего сигнала занимает полосу частот от F_{мин -} до F_мак в спектре модулированного сигнала возникают боковые полосы - нижняя, с полосой от (f_o-F_мак) - до (f_o-F_мин) и верхняя, с полосой от (f_o+F_мин) – (т.6) до (f_o+F_мак).

Спектр частот, занимаемый АМ-сигналом, сосредоточен около несущей частоты f_o и занимает полосу 2F_мак. Информация об управляющем сигнале содержится в каждой из боковых полос. Дублирование информации устраняется использованием только одной боковой полосы – для однополосной передачи применяют нижнюю боковую полосу, что позволяет почти в 2 раза сократить занимаемую полосу частот и уменьшить потребление энергии.

Угловая модуляция

При частотной модуляции по закону управляющего сигнала изменяется частота несущего колебания около среднего значения f_o.

Частотно-модулированное колебание при модуляции одним тоном имеет вид:

Uчм = А_оcos(2f_o+kScos2F_o).

Максимальное отклонение частоты f_d = kS от f_o называют девиацией частоты.

Аналогично, при фазовой модуляции по закону управляющего сигнала изменяется фаза несущего колебания. Поскольку фаза и частота взаимосвязаны (частота - производная от фазы, а фаза - интеграл от частоты), эти виды модуляции объединяют общим названием - угловая модуляция.

Спектры сигналов при частотной и фазовой модуляции имеют более сложный состав, чем при АМ, однако основные закономерности спектра - несущая и боковые полосы - сохраняются.

Ширина спектра ЧМ-сигнала составляет F_чм = 2М_ч∆F_мак, где как и прежде ∆F_мак - полоса частот, занимаемая управляющим сигналом.

Так как М_ч > 1, спектр ЧМ-сигнала шире спектра АМ-сигнала. Поэтому, в частности, частотную модуляцию используют только в диапазоне ультракоротких волн, чтобы относительная ширина спектра не оказалась чрезмерно большой.

Частотная модуляция обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной. Это объясняется тем, что помехи на входе приемного устройства приводят, как правило, к случайному изменению амплитуды, т.е. искажают информационный параметр. При частотной модуляции влияние помех на амплитуду сигналов не приводит к изменению информационного параметра - частоты.

Для восстановления низкочастотного сигнала в приемном устройстве осуществляется обратное преобразование – демодуляция (детектирование).

Модуляция двоичными сигналами – манипуляция

При передаче кодированных сообщений управляющие сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов и пауз (или импульсов противоположной полярности). В этом случае модулируемый параметр несущего колебания принимает одно из двух фиксированных значения, такую разновидность модуляции называют манипуляцией. По аналогии с модуляцией различают амплитудную, частотную и фазовую манипуляции. Следует отметить, что, в манипуляция (модуляция двоичным сигналом) обладает значительно большей помехоустойчивостью, чем модуляция непрерывным сигналом.

Рис.8

В системах с амплитудной манипуляцией (Amplitude Shift Keying) амплитуда гармонической несущей изменяется в зависимости от того, имеется на входе модулятора 0 или 1. При приеме сигналов с пассивной паузой возникают проблемы с различением амплитуд колебаний при приеме, так как в процессе распространения сигналы ослабевают, и их уровень может оказаться соизмеримым с уровнем помех. Амплитудная модуляция имеет низкую помехоустойчивость, т.е. высокую вероятность ошибочной регистрации двоичных сигналов.

В системах с частотной манипуляцией (Frequency Shift Keying) осуществляется изменение частоты несущей в соответствии с поступившим цифровым сигналом. Формирование частот осуществляется сдвигом несущей частоты "вверх' или "вниз" на некоторую величину(например, на +/- 85 Гц в диапазоне коротких волн, так что f₀ - f₁ = 170 Гц, или на +/-400 Гц в диапазоне УКВ). Частотная манипуляция обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с амплитудной, так как при частотной манипуляции изменение амплитуды сигнала из-за помех несущественна для правильного приема.

В системах с фазовой манипуляцией (Phase Shift Keying) фазовый сдвиг гармонического колебания изменяется в зависимости от поступившего двоичного сигнала.

Спектры манипулированных сигналов по своей структуре не отличаются от спектров модулированных колебаний - они содержат несущую и две боковые полосы.

Однополосная модуляция (Single-sideband modulation, SSB)

  Теснота в эфире требует сужения спектра частот, излучаемого радиотелефонной станцией при двух­полосной передаче. Сужение спектра частот, занимаемого радиотеле­фонной станцией с амплитудной модуляцией (AM), позволяет решать проблему распределения частот между радиостанциями, которая становится все более острой с дальнейшим развитием морского транс­порта.

Амплитудная модуляция с одной боковой полосой (Single-sideband modulation, SSB) - разновидность амплитудной модуляции (AM), широко применяемая в аппаратуре радиосвязи для эффективного использования спектра канала и мощности передающей радиоаппаратуры.

Анализ спектра амплитудно-модулированного сигнала показывает, что информация о передаваемом сигнале содержится в каждой боковой полосе. В радиосигнале с АМ 50 % мощности передатчика расходуется на излучение сигнала несущей частоты, который не содержит никакой информации о модулирующем сигнале. Остальные 50 % делятся поровну между двумя боковыми частотными полосами, которые представляют собой точное зеркальное отображение друг друга. Несущая с частотой f_о известна на передающей стороне (частота настройки передатчика) и не несет информации о передаваемом сигнале. При максимальном значении коэффициента модуляции, мощность боковой составляющей амплитудно-модулированного сигнала не превышает 25% от мощности несущей, т.е. основная доля мощности приходится на несущее колебание.

Идея исключения несущей частоты и одной из боковых полос из спектра излучаемого сигнала реализована в однополосном передатчике (Single Sideband Transmitter or SSB Transmitter). Двухполосные передатчики в настоящее время в судовой радиосвязи не используются. При однополосной пере­даче в одном и том же диапазоне частот можно разместить в два раза больше радиостанций, чем при двухполосной передаче. Другим пре­имуществом однополосной передачи является увеличение мощности передатчика, так как здесь вся мощность используется для передачи колебаний одной боковой полосы, принимаемой однополосным прием­ником. Для получения на приемной стороне такого же по уровню сигнала, как при двухполосном передатчике, мощность однополосного передатчика составляет 1/3 от мощности двухполосного передатчика. Переход на однополосные сигналы позволяет получить выигрыш по мощности в 4...8 раз.

Кроме того, когда на близких частотах работают несколько станций с однополосной модуляцией, они не создают друг другу помех в виде биений, что происходит при применении амплитудной модуляции с неподавленной несущей частотой. Мощность на передачу ненужной боковой и несущей не рас­ходуется.