Разработка системы управления спутниковых каналов связи для АО "Казтелеком" на базе платформы labview

 

 и  .

 

Важной характеристикой ЧМ радиосигнала является ширина его спектра, определяющая необходимую полосу пропускания радиоканала . При передаче сигналов многоканальной телефонии минимальная необходимая полоса частот должна определяться исходя из минимально допустимого уровня переходных помех, возникающих из-за ограничения спектра,

 

,

 

где - параметр, зависящий от уровня переходных помех.

На рис. 1.6 приведены значения в зависимости от для двух значений мощности переходных помех в верхнем (по спектру) телефонном канале: и 10 пВт.

 

Рисунок 1.6 - Зависимость параметров от эффективного значения индекса ЧМ

 

На практике для приближенной оценки необходимой полосы частот часто  пользуются следующей эмпирической формулой Карсона:

 

.

радиорелейный спутниковый  оптический программный

Значения основных параметров ЧМ радиосигнала РСП при передаче сигналов многоканальной телефонии  для различной емкости группового сигнала приведены в табл. 1.1. Как видно из таблицы, в большинстве случаев применяется частотная модуляция с не более 1.

 

Таблица 1.1 - Параметры ЧМ радиосигнала при многоканальной телефонии

Параметры ЧМ радиосигнала	Число каналов тональной  частоты
	12	24	60	120	240	300
, МГц	0,05	0,05	0,2	0,2	0,2	0,2
, МГц	0,06	0,108	0,252	0,552	1,032	1,3
, МГц	0,073	0,084	0,404	0,464	0,533	0,776
, МГц	0,38	0,394	1,647	1,745	1,871	2,584
	1,217	0,778	1,603	0,841	0,516	0,597
	6,333	3,648	6,536	3,161	1,813	1,988
, МГц:
при пВт	0,61	0,84	3,05	4,33	6,4	8,5
при пВт	0,55	0,78	2,72	3,94	5,57	7,64
, МГц	0,88	1,0	3,8	4,6	5,81	7,77
	Число каналов тональной частоты
	360	600	720	1020	1320	1920
, МГц	0,2	0,2	0,2	0,2	0,14	0,14
, МГц	1,54	2,596	3,34	4,636	5,932	8,524
, МГц	0,85	1,097	1,202	1,43	1,139	1,374
, МГц	2,83	3,653	4,003	4,762	3,793	4,575
	0,552	0,423	0,36	0,308	0,192	0,161
	1,838	1,407	1,199	1,027	0,639	0,537
, МГц:
при пВт	9,67	14,75	17,57	23,37	25,51	35,8
при пВт	8,72	13,19	15,9	21,14	23,73	32,9
, МГц	8,74	12,5	14,69	18,8	19,45	26,2

 

При передаче сигналов телевидения  характеристики ЧМ радиосигала зависят  от соответствующих параметров сигналов изображения и звукового сопровождения. Для сигнала изображения верхняя частота спектра , размах сигнала, а следовательно, максимальная девиация частоты известны: МГц, МГц.

Индекс ЧМ равен  , а необходимая полоса частот, определенная по формуле Карсона,

 

 МГц

 МГц.

 

Если в одном стволе передаются сигналы изображения, звукового  сопровождения и звукового вещания  с использованием частотного разделения, то верхняя частота модулирующего сигнала, эффективная девиация частоты и необходимая полоса частот возрастут.

Манипуляция в цифровых РСП.

Модуляцию в цифровых РСП принято называть манипуляцией. В зависимости от числа уровней  модулирующего (манипулирующего) сигнала  различают двухуровневую (двоичную) и многоуровневую манипуляцию.

Для многих видов манипуляций, применяемых в цифровых радиорелейных  системах передачи, предполагается использование  манипулирующих сигналов, отличающихся по структуре от исходного передаваемого  двоичного сигнала. Указанные манипулирующие сигналы формируются специальным кодирующим устройством – кодером модулятора. При демодуляции радиосигнала на приемном конце с помощью декодера демодулятора производится обратное преобразование, в результате чего формируется исходный двоичный сигнал. Декодированию, естественно, предшествует регенерация сигнала. Совокупность кодера модулятора и декодера демодулятора образует модем для цифровой РСП, обобщенная схема которого приведена на рис. 1.7.

В современных цифровых радиорелейных и спутниковых системах передачи применяются амплитудная, фазовая, частотная и комбинированная амплитудно-фазовая манипуляции.

 

Рисунок 1.7 - Функциональная схема модема цифровой РСП

 

Амплитудная манипуляция (AM).

Хотя этот вид манипуляции  в современной цифровой радиосвязи встречается весьма редко, он еще служит удобной основой для введения некоторых основных понятий. В настоящее время находит применение лишь двоичная AM. Манипулирующим (модулирующим) сигналом в цифровых системах радиосвязи является случайная последовательность "1" (токовая посылка) и "0" (пауза - бестоковая посылка).

Радиосигнал с AM может  быть представлен в следующей  несколько упрощенной форме:

 

 

где - модулирующая случайная двоичная последовательность видеоимпульсов (часто, не обязательно, прямоугольной формы),

 - частота несущего радиочастотного колебания.

Пример радиосигнала для случайной двоичной последовательности прямоугольных видеоимпульсов показан  на рис. 1.8, где Т - длительность элемента исходного двоичного сигнала.

Для сигналов AM самым  распространенным является некогерентный  прием, включающий в себя измерение  амплитуды огибающей на выходе узкополосного  фильтра. Модуляция и демодуляция  сигналов в системах с двоичной AM не требует специального кодирования и декодирования.

 

Рисунок 1.8 - Форма сигналов при амплитудной модуляции

 

Минимальная полоса частот необходимая для передачи AM радиосигнала, численно равна скорости передачи цифровой информации В (частоте следования передаваемых элементов исходного двоичного сигнала)

 

.

 

Эффективность использования  полосы частот характеризуется максимальной удельной скоростью передачи при  двоичной AM и равна  .

Фазовая манипуляция (ФМ).

При ФМ манипулируемым параметром высокочастотной несущей радиоимпульса является ее фаза . В современных РСП применяются двоичная, четырехуровневая и восьмиуровневая ФМ.

При демодуляции фаза ФМ радиосигнала сравнивается с фазой  восстановленного на приемном конце  опорного колебания (несущей). Из-за случайных искажений радиосигнала имеет место неопределенность фазы восстановленной несущей, что является причиной, так называемой обратной работы, при которой двоичные посылки принимаются "в негативе". Для устранения влияния неопределенности фазы применяется разностное кодирование фазы передаваемых радиоимпульсов.

Фазовую манипуляцию  с разностным кодированием фазы называют фазоразностной или относительной  фазовой манипуляцией (ОФМ). В цифровых радиорелейных системах передачи с  ОФМ при передаче информации кодируется не сама фаза радиосигнала, а разность фаз (фазовый сдвиг) двух соседних радиоимпульсов.

Структура ОФМ радиосигнала для двухуровневой ФМ представлена на рис. 1.9. Из рисунка следует, что фаза несущего колебания изменяется относительно ее предыдущего состояния на при передаче "1" и остается неизменной при передаче "0".

 

Рисунок 1.9 - Структура двухуровневого ОФМ радиосигнала

 

Применяются два способа  демодуляции ОФМ радиосигналов. В первом случае вначале восстанавливается несущая и когерентно детектируется ОФМ радиосигнала, затем разностно (дифференциально) декодируются принимаемые сигналы. При таком способе демодуляции операции детектирования и декодирования разделены и выполняются последовательно. Второй способ предполагает дифференциально-когерентное (автокорреляционное) детектирование ОФМ радиосигнала, при котором в качестве опорного колебания используется предшествующий радиоимпульс. При этом операции детектирования и декодирования совмещены.

Ширина спектра ОФМ радиосигнала зависит от скорости передачи информации В и числа уровней манипуляции М. Необходимая для ОФМ радиосигнала минимальная полоса пропускания

 

.

 

Обычно полосу пропускания  выбирают несколько большей, т. е. . Следовательно, при увеличении числа уровней манипуляции полоса частот, необходимая для передачи ОФМ радиосигнала, уменьшается. Так, при ОФМ-4 ( ) полоса частот вдвое меньше, чем при ОФМ при одинаковой скорости передачи информации. Максимальная эффективность использования полосы частот при ОФМ равна

 

.

 

Частотная манипуляция (ЧМ).

При ЧМ модулируемым (манипулируемым) параметром является частота высокочастотного заполнения радиоимпульса. В РСП  применяются двоичная, трехуровневая (при использовании квазитроичных кодов), четырехуровневая и восьмиуровневая ЧМ. Пример простейшей двухуровневой ЧМ показан на рис. 1.10.

 

Рисунок 1.10 - Форма сигнала при частотной манипуляции:

а - манипулирующий сигнал; б - частотно-манипулирующий сигнал - радиосигнал ЧМ

 

В большинстве РСП  с частотной манипуляцией используются модулирующие колебания прямоугольной  формы, причем амплитуды несущих  остаются постоянными. Для этого  случая радиосигнал имеет вид

 

 

Полоса частот, необходимая для передачи ЧМ радиосигнала , и эффективность ее использования зависят от скорости передачи информации В, числа уровней М и максимальной девиации частоты и равны соответственно

 

;

,

где - максимальная девиация частоты, зависящая от М, - максимальный индекс ЧМ.

При демодуляции ЧМ радиосигналов  применяется некогерентное детектирование, причем обычно используются те же частотные детекторы, что и в аналоговых РСП с ЧМ.

Большой интерес представляет применение частотной манипуляции  с минимальным сдвигом (ЧММС), являющейся частным случаем манипуляции  с непрерывной фазой, при которой  фаза манипулированнрго радиосигнала изменяется непрерывно и не имеет скачков на границах радиоимпульсов. При ЧММС для передачи "1" и "- 1", как при обычной двоичной ЧМ, используются две частоты, однако разнос между ними выбирается так, чтобы за время длительности элемента Т фаза манипулированного радиосигнала изменялась ровно на . При этом если передается "1", то частота радиосигнала , так что в момент окончания радиоимпульса его фаза получает сдвиг . При передаче "- 1" частота радиоимпульса , в результате чего фаза радиоимпульса в момент его окончания приобретает сдвиг . Таким образом, ЧММС весьма похожа на ОФМ, при которой фаза манипулированного радиосигнала также изменяется на в течение каждого интервала Т. Отличие состоит лишь в том, что при ЧММС фаза изменяется не скачкообразно, а непрерывно.

При демодуляции ЧММС радиосигналов используется когерентное  детектирование. Помехоустойчивость ЧММС близка к помехоустойчивости двоичной ОФМ, а эффективность использования полосы частот примерно такая же, как при четырехуровневой ОФМ.

Амплитудно-фазовая манипуляция (АФМ).

При АФМ манипулируемым (представляющим) параметром является комплексная амплитуда радиосигнала. Формирование М-уровневого АФМ сигнала может быть реализовано путем М-уровневой балансной амплитудной манипуляции синфазной и квадратурной составляющих сигнала одной частоты и сложения полученных AM радиосигналов. По этой причине АФМ часто называют квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ).

Минимальная необходимая  полоса частот и максимальная эффективность использования полосы определяются так же, как в случае многоуровневой ФМ (ОФМ).

Сравнительная оценка качественных показателей различных видов манипуляции, применяемых в цифровых РСП, приведена в табл. 1.2.

Интересно ориентировочно сравнить эффективность использования  полосы частот цифровых и аналоговых РСП. Если в цифровых системах используется ИКМ со скоростью передачи основного цифрового канала 64 кбит/с, то в системах с AM и ОФМ-2 (двухуровневая) максимальная емкость ствола с полосой 40 МГц составляет 625 каналов тональной частоты (КТЧ), с ОФМ-4 (четырехуровневая) и ЧММС - 1250 КТЧ, с ОФМ-8 - 1875 КТЧ, наконец, при использовании АФМ-16 - 2500 КТЧ.

 

Таблица 1.2 - Показатели различных видов манипуляции в цифровых РСП

Вид манипуляции	Число уровней манипуляции	Способ детектирования принимаемых сигналов	Отношение сигнал-шум  на входе приемника, дБ (при  )	Максимальная эффективность использования полосы частот, бит/с/Гц
AM	2	Некогерентный	17,2	1
	2	Дифференциально-когерентный	11,2	1
ОФМ	4	То же	12,8	2
	2	Когерентный	10,8	1
	4	То же	10,8	2
	8		14,6	3
ЧМ	3	Некогерентный	15,9	1
	4	То же	20,1	2
	8		25,5	3
ЧММС	2	Когерентный	10,8	2
АФМ	16	То же	17,0	4