Материал: Современные технологии передачи и обработки данных. Никитин Л.Н

1.2.Модулированные сигналы

Всистемах связи в качестве переносчика могут использоваться синусоидальные колебания высокой частоты, периодические последовательности импульсов и даже некоторые случайные процессы.

Модуляция гармонического высокочастотного сигнала

Независимо от вида сообщения, любой сигнал, поступающий в канал связи, получается путем модуляции. Для пояснения процесса модуляции

выберем в качестве переносчика колебание высокой частоты

вида

f (t) U0 cos( 0t 0),

где U0 - амплитуда;

0 - несущая частота;

0 - начальная фаза,

Для немодулированного колебания амплитуда, частота и фаза постоянны. Они известны заранее, поэтому немодулированный переносчик не несет информации.

Модуляция заключается в том, что один из параметров переносчика – амплитуда U0 , частота 0 или фаза 0 изменяется под действием первичного сигнала u(t), однозначно отображающего сообщение. Каждый из этих параметров можно промодулировать и получить соответственно амплитудную модуляцию (AM), частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ). При этом модулируемый параметр будет иметь приращение, пропорциональное величине первичного сигнала u(t):

Независимо от вида модуляции процесс модуляции можно представить в виде произведения несущего колебания f(t) на модулирующую функцию, представляющую собой первичный сигнал u(t), т.е. uc (t) f (t) u(t) .

11

1.3.Помехи в каналах связи

Вреальных каналах связи сигналы при передаче искажаются, что приводит к воспроизведению сообщения на приемном конце с некоторой ошибкой. В общем случае это ведет к понижению верности и скорости передачи. Причиной этому являются искажения, вносимые caмим каналом, случайные помехи, воздействующие на сигнал в линии связи, а также случайные изменения параметров самого канала.

Искажения, вносимые каналом, могут быть линейными и нелинейными. Они устраняются путем соответствующей коррекции характеристик канала.

Вотличие от искажений помехи носят случайный характер. Они заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Помехи в канале связи подразделяются на внутренние и внешние. Источником внутренних помех является тепловое хаотическое движение электронов в лампах, полупроводниковых приборах, электрических цепях и т.д.

К внешним помехам относятся атмосферные, станционные, индустриальные, космические и другие помехи. В радиоканалах наиболее распространенными являются атмосферные помехи. Энергия этих помех в основном сосредоточена в области средних и длинных волн. Станционные помехи обусловлены нарушениями распределения рабочих частот, плохой фильтрацией гармоник сигнала, нелинейными процессами в аппаратуре, ведущими к перекрестным искажениям и т.д. Индустриальные помехи создаются линиями электропередачи, генераторами, системами зажигания двигателей и др. Космические помехи создаются электромагнитными процессами, происходящими в Галактике, на Солнце и других внеземных объектах. Эти помехи особенно сказываются в диапазоне УКВ до нескольких ГГц, после чего их интенсивность резко убывает.

Огромное разнообразие источников приводит к тому, что структура и вероятностные характеристики помех существенно отличаются. Тем не менее, по характеру спектра все помехи в каналах

12

связи можно разделить на флуктуационные, сосредоточенные и импульсные.

Флуктуационная помеха является случайным процессом, обладающим практически равномерным энергетическим спектром. Эта помеха имеет место во всех реальных каналах связи. Примером флуктуационной помехи являются внутренние шумы элементов аппаратуры связи, космические шумы и некоторые виды атмосферных и индустриальных помех. Ширина спектра флуктуационных помех много больше спектра передаваемого сигнала.

Сосредоточенная помеха имеет энергетический спектр более узкий или такой же, как у сигнала. Она может создаваться посторонними средствами связи и другими промышленными объектами. Как правило, сосредоточенные помехи представляют собой модулированные колебания. Этот вид помех особенно сильно проявляется в каналах радиосвязи.

Импульсная помеха представляет собой случайные или регулярные последовательности импульсов большой скважности. Длительность таких импульсов меньше длительности элементарного сигнала. Переходные явления от воздействия импульсов в приемной аппаратуре обычно успевают затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К импульсным помехам относятся многие виды атмосферных и индустриальных помех. В зависимости от частоты следования импульсов они могут воздействовать на приемник с широкой полосой - как импульсная помеха, а на приемник с узкой полосой - как флуктуационная помеха.

Еще одним видом помех является флуктуация параметров радиоканала. Случайные изменения его параметров приводят к непостоянству коэффициента передачи и времени прохождения сигналов по каналу связи, а также к явлению многолучевого распространения радиоволн.

Все перечисленные выше возмущения обязательно проявляются в виде помехи в той или иной мере при передаче сигналов.

Независимо от вида возмущений в канале связи, его воздействие на сигнал можно представить в виде оператора x (u, ).

13

Если возмущение, действующее в канале связи, складывается с сигналом, то это аддитивная помеха. К ней относятся тепловые шумы, атмосферные, космические, промышленные и станционные помехи.

Аддитивная помеха воздействует на вход приемника независимо от сигнала и проявляется также при отсутствии сигнала. В этом случае оператор преобразуется в сумму x u . Аддитивную

помеху в инженерной практике часто называют шумом.

Если же возмущение непосредственно связано с прохождением сигнала в канале связи, то оно называется мультипликативной помехой. Эта помеха перемножается с сигналом, а при его отсутствии никак не проявляется на входе приемника. При этом оператор преобразуется в произведение x u a , где a -

коэффициент передачи канала связи, изменяющийся случайным образом во времени.

Мультипликативные помехи характерны для каналов радиосвязи. Они возникают в результате многолучевого распространения радиоволн, их интерференции в точке приема, а также в результате нерегулярных изменений параметров среды распространения радиоволн (высоты и толщины слоев тропосферы, электронной концентрации и т.п.).

Врезультате многолучевости распространения радиоволн амплитуда и фаза сигнала медленно, по сравнению с собственными колебаниями, изменяется. Это изменение можно представить как процесс модуляции в виде произведения модулируемой и модулирующей функций.

Мультипликативная помеха может быть также результатом проявления нелинейных свойств отдельных элементов тракта радиосвязи, в которых одновременно действуют сигнал и помеха.

Вканалах радиосвязи имеют место как аддитивные, так и мультипликативные помехи. Поэтому сигнал в канале связи может быть представлен в виде

к

x(t) ai (t)At i (t) i (t),

i 1

14

где ai (t) - коэффициент передачи канала радиосвязи; - передаваемый сигнал;

i (t) - время запаздывания сигнала i - го луча;

i (t) - аддитивная помеха;

к- число лучей.

Канал связи, параметры a и которого неизменны во времени, называется каналом с постоянными параметрами. Таких каналов крайне мало. К ним относятся проводные каналы связи и каналы радиосвязи УКВ прямой видимости .

Во всех же других каналах параметры a и непрерывно меняются случайным образом. Такие каналы радиосвязи называются кaнaлaми с переменными параметрами.

Случайные изменения параметров a и приводят к непрерывному изменению уровня принимаемого сигнала, которое называется замираниями или федингами. Замирания обусловлены интерференцией в точке приема многих лучей, прошедших различные пути в результате многократного отражения радиоволн от различных слоев атмосферы.

Нерегулярный характер изменения высоты и толщины этих слоев, а также их электронной концентрации приводит к случайным изменениям амплитуд и фаз отдельных лучей на входе приемника. В итоге, результирующий сигнал подвержен замираниям по случайному закону.

Кроме интерференционных замираний наблюдаются поляризационные замирания, обусловленные вращением плоскости поляризации волны под действием магнитного поля Земли.

В зависимости от ширины спектра сигнала и свойств среды распространения различают гладкие и селективные замирания. В свою очередь замирания могут быть медленными и быстрыми.

Когда взаимное запаздывание приходящих лучей соизмеримо с длительностью элемента сигнала, явление многолучевого распространения вызывает не только замирания сигнала, но и наложение соседних элементов сигнала друг на друга. Это явление называется радиоэхо, а запаздывающий луч - эхо-с и г н а л о м.

15