Тема характеристика основных элементов системы радиосвязи

Лекция 4

 

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫРАДИОСВЯЗИ.

 

Система радиосвязи предназначена для передачи информа­ции на расстояние с помощью радиосигналов. Информация, выра­женная в определенной форме, представляет собой сообщение, которое подлежит передаче на расстояние.

Для представления информации используется какой-либо язык, который характеризуется знаками и правилами их примене­ния. Под термином "знак" понимается совокупность признаков или примет, по которым узнается, распознается что-нибудь. Совокупность знаков, содержащих некоторую информацию, является формой представления информации – сообщением.

Сообщение может быть непрерывным или дискретным. Так при передаче телеграмм сообщением является текст, состоящий из отдельных символов, букв, цифр, а при передаче речевой информации сообщением является непрерывное изменение во време­ни звукового давления.

Распространенными формами представления информации также является музыка, телевизионное изображение, фототелеграммы, цифровые данные на выходе вычислительной машины и т.д.

Для передачи информации по системе радиосвязи необходи­мо сообщение преобразовать в первичный электрический сигнал. Например, звуковое давление при передаче речевых сообщений преобразуется микрофоном в электрическое напряжение, при пе­редаче телеграмм каждый символ преобразуется телеграфным аппаратом в определенную последовательность электрических импульсов, при передаче телевизионного изображения с помощью телевизионной трубки элементы изображения преобразуются в электрический ток и т.д. Преобразование дискретных сообщений в комбинации элементарных сигналов называют кодированием.

В зависимости от характера сообщения первичные сигналы могут быть непрерывными и дискретными.

Непрерывные сигналы принимают любые значения на некото­ром интервале. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени и их часто называют аналоговыми. Типичным при­мером непрерывного сигнала является речевой сигнал.

Дискретные сигналы принимают конечное число вполне опре­деленных значений и их часто называют цифровыми. Такие сиг­налы описываются дискретными функциями времени. Наиболее общим примером дискретных сигналов могут служить телеграф­ные сигналы, отображающие текст сообщения.

Следует отметить, что любой непрерывный сигнал в соот­ветствии с теоремой З.А. Котельникова можно дискретизировать по времени и осуществлять передачу с определенной точностью в дискретной форме.

Первичный электрический сигнал, как правило, является низкочастотным и его невозможно эффективно излучать в среду распространения радиоволн. Поэтому для передачи по системе радиосвязи первичный сигнал должен быть преобразован в высо­кочастотный сигнал, называемый радиосигналом. По отношению к радиосигналу первичный электрический сигнал часто называют сообщением. Преобразование первичного электрического сигнала в радиосигнал осуществляется путем изменения одного или нескольких параметров несущей. Процесс изменения одного или нескольких параметров несущей в соответствии с изменениями параметров передаваемого первичного электрического сигнала (сообщения) называется модуляцией. Если модуляция осущест­вляется дискретными сигналами, то ее обычно называют мани­пуляцией.

Таким образом, при передаче сообщений на передающей стороне осуществляется совокупность операций: первичное преобразование, кодирование, модуляция, усиление и излучение.

На приемной стороне осуществляются обратное операции: прием радиоволн, усиление и фильтрация высокочастотных коле­баний, демодуляция, декодирование и преобразование сигнала в сообщение.

Источник и получатель сообщений, технические устройст­ва, обеспечивающие передачу сообщений (сигналов), а также среда, в которой распространяются радиоволны, составляют систему радиосвязи (рис. 1.1).

Среда распространения радиоволн между передавшей и приемной антеннами называется линией радиосвязи.

Линия радиосвязи и совокупность части технических уст­ройств, обеспечивающие передачу сигналов от источника сооб­щений к получателю, называется каналом радиосвязи. Какая именно часть технических устройств входит в понятие канала, не определяется. Чаще всего считают, что канал начинается с элемента, на вход которого подается первичный электрический сигнал, а заканчивается элементом, с выхода которого снима­ется принятый первичный электрический сигнал. Однако, в инте­ресах детализации изучения системы радиосвязи границы канала могут изменяться.

 

 

Рис. 1.

В линии радиосвязи сигнал искажается помехами. Поэтому принятое сообщение не будет полностью соответствовать пе­реданному сообщению. Степень соответствия принятого сообщения переданном определяется способностью системы противо­стоять вредному действию помех, то есть помехоустойчивостью. Если в состав системы связи входит несколько каналов источников и получателей сообщений, а также устройства уп­лотнения, которые обеспечивают независимую передачу сообще­ний от нескольких источников по одной общей линии связи, то такие системы связи называются много канальными.

Системы радиосвязи могут быть разомкнутыми и замкнуты­ми (с обратными связями). Обобщенная структурная схема ра­зомкнутой системы радиосвязи представлена на рис. 1.1.

Рассмотрим характеристику основных функциональных элементов системы радиосвязи.

Источники сообщений

Источником и потребителем информации могут быть человек, различного рода автоматические и измерительные устройства, вычислительные машины.

Как уже отмечалось, источник сообщения для формирования сообщения использует язык, который характеризуется знаками различного ранга и правилами их построения. Низшим рангом являются символы (элементы).

Дискретный ниточник сообщения использует ограниченную счетную совокупность символов, которая называется алфавитом. Примерами символов счетных совокупностей являются: буквы русского алфавита, цифры заданной системы счисления и т.д.

Непрерывный источник сообщения использует несчетное бесконечное множество элементов (непрерывное выборочное про­странство) при формировании непрерывных сообщений»

Знаки следующего ранга строятся в виде комбинаций знаков предшествующего ранга. Так дискретный источник из символов алфавита на заданном интервале Т строит слова из слов фразы и т,д. которые состоят из конечного числа знаков предшествующего ранга.

Процесс комбинирования символов алфавита дискретным источником для построения знаков с различным содержанием я различного ранга называется кодированием. По одному из оп­ределений, кодирование есть описание (идентификация) смыс­лового с держания информации комбинациями символов исполь­зуемого алфавита выполняемая по определенным правилам. Об­ратная операция - выявление информационного содержания в совокупности символов - называется декодированием. Таким образом дискретный источник характеризуется алфавитом и правилами кодирования, т.е. правилами построения знаков. Непрерывный источник на интервале времени Т созда­ет реализацию случайного процесса, используя несчетное бесконечное число элементов, определенных в общем случае на несчетном множестве значений параметра,

Знаками высшего ранга в данном случае является реали­зации случайного процесса.

Сообщения источников одного класса представляются одинаковыми математическими знаками. Сообщения источников различных классов, например, дискретные источники и непре­рывные источники, представляется разными математическими знаками, т.е. имеют различные виды представления. Однако для передачи сообщений в системе связи и возможны их преоб­разования, которые приводят к изменение вида представления сообщения, например, дискретизация реализаций случайного процесса, квантование по уровне и т.д.

Первичный преобразовательсообщений

Целью первичного преобразования сообщения является согласование источника сообщения с каналами.

Первичный преобразователь сообщения выполняет следующие функции; преобразует знаки источника сообщений в электрические сигналы; при необходимости изменяет вид пред­ставления сообщений; сжимает объем сообщений.

В первичном преобразователе дискретных сообщений на первой этапе устанавливается система соответствий между сим­волами (знаками) дискретных сообщений и математическими циф­ровыми знаками (кодовыми комбинациями), т.е. осуществляется кодирование.

Отличие данного процесса кодирования от кодирования в источнике сообщений, заключается в том, что при кодировании в источнике сообщений осуществляется идентификация смыслового содержания информации комбинациями символов алфавита источ­ника, а при кодировании (представления) сообщения в первич­ном преобразователе осуществляется описание символов сооб­щения комбинациями математических знаков.

Система соответствий между знаками дискретных сообщений я кодовыми комбинациями, с помощью которых они могут быть представлены, называется кодом. Наибольшее распространение в технике связи получили двоичные коды, т.е. коды, которых основание (число различных символов) равно двум. Коды, ис­пользуемые в первичном преобразователе дискретных сообщений, часто называет первичными кодами. Примерами первичных кодов являются: код Морзе, пятизначный международный телеграфный код № 2 (МТК-2) и другие.

На втором этапе первичного преобразования дискретных сообщений производится представление цифровых символов фик­сированными значениями параметра электрического сигнала. Например, единица представляется токовой посылкой, нуль - бестоковой посылкой.

Таким образом, в первичном преобразователе дискретных сообщений осуществляются два вида преобразований: кодирование и формирование первичного сигнала.

Следует отметить, что первичный преобразователь диск­ретных сообщений называют еще кодером для источника.

В первичном преобразователе непрерывных сообщений часто ограничиваются линейными преобразованиями, в процессе которых осуществляется перевод неэлектрических величин пе­редаваемого сообщения в первичный электрический сигнал. Однако в ряде случаев непрерывные сообщения обладает зна­чительной избыточностью, поэтому возникает необходимость сжатия объема сообщений для более эффективного использования канала связи.

Сжатие (компрессия) непрерывных сообщений осуществляет­ся ограничением ширины спектра или ограничением динамического диапазона. При передаче речевых сообщений возможны более сложные функциональные преобразования, осуществляемые вокодером.

Во многих практических случаях возникает необходимость преобразования вида представления непрерывного сообщения, а именно, производится переход от аналоговых представлений к аналого-дискретному виду или цифровому. Необходимость таких преобразований возникает при передаче по одной линии связи нескольких сообщений путем временного уплотнения или при вве­дении аналоговых сообщений в ЭВМ.

 

Передача различных сообщений в цифровом виде обеспечивает:

- использование одних и тех же каналов связи для переда­чи различного вида сообщений;

- регенерации дискретных последовательностей, существенно искаженных различными помехами при передаче по линии связи;

- существенное уменьшение влияния аппаратурных погрешно­стей;

- возможность повышения помехоустойчивости связи путем применения избыточных кодов;

- возможность автоматизации процессов коммутации переда­ваемых сообщений на узлах связи;

- возможность объединения отдельных систем в более круп­ные системы, и комплексы благодаря универсальному виду пред­ставления сообщений.

Основными преобразованиями вида представления сообщений является: дискретизация сообщений по времени и квантование сообщений по уровню. Изменение вида представления сообщений связано с внесением погрешностей квантования и дискретиза­ции. Однако они могут быть сделаны меньше заданной допусти­мой величины.

Кодирующее устройство

В кодирующем устройстве первичный дискретный сигнал подвергается дальнейшему преобразованию с цель повышения помехоустойчивости представления сообщений. Повышение помехоустойчивости обычно достигается введением в сообщение избы­точности.

Кодовые комбинаций из k символов на входе кодера преобразуются в кодовые последовательности из n символов на выходе кодера, причем n > k.

Разность n – k называется абсолютной избыточностью. Отношение

называется относительной избыточностью.

Введение избыточных символов позволяет обнаружить ошибки в принятых сообщениях или обнаруживать и исправлять их. В соответствии с этим различают коды с обнаружением и исправлением ошибок.

В настоящее время в технике связи наибольшее распростра­нение подучали следующие типы двоичных избыточных кодов с обнаружением ошибок: коды с проверкой на четность, коды с постоянным весом и циклические коды.

Следует отметить, что рассматриваемое устройство назы­вают еще кодером для канала.

Модулятор

Энергия первичных сигналов сосредоточена в основном в низкочастотной области. Эффективное излучение таких сигналов затруднительно. Поэтому в системах радиосвязи спектры пер­вичных сигналов переносятся в область высоких частот путем модуляции в передатчике несущего высокочастотного колебания первичным сигналом.

Модуляция в данном случае заключается в изменении одного параметра или совокупности параметров высокочастотного пере­носчика по закону, определяемому первичным сигналом.

Изменяемые при модуляции параметры переносчика назы­вают информативными параметрами. Информативный параметр пере­носчика определяет название вида модуляции. Число возможных видов модуляции при заданном виде переносчика определяется числом его параметров.

В качестве переносчика частот используются: синусоидаль­ные колебания высокой частоты, периодическая последователь­ность импульсов, сложные составные последовательности и т.д.

Если переносчиком является синусоидальные колебания, то различают такие виды модуляции: амплитудная, частотная, фа­зовая.

При использовании в качестве переносчика периодической последовательности импульсов выделяют четыре основных вида модуляции: амплитудно-импульсную, широтно-импульсную, фазо-импульсную и частотно-импульсную. При импульсной модуляции передающих устройствах систем радиосвязи необходима вторая ступень модуляции, в которой осуществляется модуляция высо­кочастотного синусоидального колебания последовательностью импульсов. Соответственно получается целый ряд двухступен­чатых видов модуляции: амплитудно-импульсная-амплитудная, фазо-импульсная-амплитудная модуляция к т.д.

В процессе модуляции спектр первичного сигнала переме­щается в частотной области, что позволяет упорядоченным об­разом разместить спектры сигналов различных систем радиосвя­зи.

Степень искажения сообщений помехами в системе радио­связи в значительной степени зависит от используемого вида модуляции. Выбирая малочувствительные виды модуляции к поме­хам заданного типа, можно повысить помехоустойчивость связи. Потенциальные способности различных видов модуляции противо­стоять вредному действию помех исследованы основоположником теории потенциальной помехоустойчивости, советским ученым В. А. Котельниковым.

Если непрерывные сообщения представлены в аналоговом ви­де, то они непосредственно подаются на модулятор, минуя коди­рующее устройство.

При цифровом виде представления непрерывных сообщений операции кодирования и модуляции аналогичны таким же опера­циям при передаче дискретных сообщений.

Сформированный в модуляторе радиосигнал поступает в усилитель мощности, где усиливается до требуемой мощности, а затем с помощью антенно-фидерного устройства излучается в среду распространения радиоволн.

В линии радиосвязи, как правило, действуют помехи, которые приводят к искажениям сигналов в точке приема.

Особенности различных линий радиосвязи, источника помех и их классификация будут рассмотрены в отдельных параграфах.

 

Фильтрация, демодуляция идекодирование

В приемной части системы радиосвязи принятая смесь сиг­нала и помех должна быть преобразована в сообщение соответ­ствующее переданному. Это преобразование состоит из следующих операций, обратных операциям, выполняемым в передающей части системы связи: фильтрации и усиления; демодуляции и декодирования.

В процессе фильтрации производится выделение полезного сигнала из смеси сигналов и помех, действующих в линиях радио­связи.

В системах передачи непрерывных сообщений в результате демодуляции выделяется в общем случае искаженный первичный сигнал, отображающий переданное сообщение. В последующем он преобразуется в сообщение, которое называется оценкой переданного сообщения, и передается получателю.

При передаче дискретных сообщений сигнал с выхода демо­дулятора подается на декодер, в котором производится обнаруже­ние или исправление ошибок и преобразование в безизбыточную последовательность – в оценку первичного дискретного сигнала. Оценка первичного дискретного сигнала, в дальнейшем преобразу­ется в оценку переданного сообщения и передается получателю. Операции демодуляции и декодирования при приеме дискрет­ных сообщений могут объединятся в одном устройстве, которое приходящую последовательность элементов радиосигнала преобра­зовывает сразу в последовательность оценки первичного дискретного сигнала или же в оценку переданного сообщения. Такой метод приема называется "приемом в целом”, в отличие от рас­пространенного метода "поэлементного приема". При приеме в целом анализируется целый отрезок сигнала, соответствующий кодовой комбинации, и на основании заданного правила решения принимается оценка передаваемого сообщения. При поэлементном приеме анализируется отдельные элементы сигнала, соответствую­щие кодовым сигналам, и строится последовательно оценка кодо­вой комбинации, а затем она декодируется в оценку переданного сообщения.

Именно при поэлементном приеме операции демодуляции и декодирования четко разграничены.

Степень соответствия принятого сообщения переданному за­висят от выбранных способов передачи и приема, от уровня сиг­нала и помех и т.д., и характеризуется показателем верности. Показатель верности характеризует отличие оценок сообщений от неискаженных сообщений.