Загальні відомості та параметри радіосигналів. Види сигналів, що використовуються в системах радіозв'язку

1. Класифікація видів модуляції, основні характеристики радіосигналів.

Для здійснення радіозв'язку необхідно якимось чином змінювати один із параметрів радіочастотного коливання, званого несучим, відповідно до низькочастотного сигналу, що передається. Це досягається за допомогою модуляції радіочастотного коливання.

Відомо, що гармонійне коливання

характеризується трьома, незалежними параметрами: амплітудою, частотою та фазою.

Відповідно розрізняють три основні види модуляції:

Амплітудна,

Частотна,

Фазова.

Амплітудною модуляцією (АМ) називають такий вид впливу на несуче коливання, в результаті якого його амплітуда змінюється за законом сигналу, що передається (модулює).

Вважаємо, що модулюючий сигнал має вигляд гармонійного коливання із частотою W

багато меншої частоти несучого коливання w.

В результаті модуляції амплітуда напруги несучого коливання повинна змінюватися пропорційно до напруги модулюючого сигналу uW (рис. 1):

UAM = U + kUWcosWt = U + DUcosWt, (1)

де U - амплітуда напруги несучого радіочастотного коливання;

DU = kUW - збільшення амплітуди.

Рівняння амплітудно-модульованих коливань, у цьому випадку, набуває вигляду

UAM = UAM coswt = (U + DUcosWt) coswt = U (1 + cosWt) coswt. (2)

За таким самим законом змінюватиметься і струм iAM при модуляції.

Величина, що характеризує відношення величини зміни амплітуди коливань DU до їхньої амплітуди без модуляції U, називається коефіцієнтом (глибиною) модуляції

З цього випливає, що максимальна амплітуда коливань Umax = U + DU = U (1+m) та мінімальна амплітуда Umin = U (1-m).

Як неважко бачити з рівняння (2), у найпростішому випадку модульовані коливання є сумою трьох коливань

UAM = U(1+ mcosWt)coswt = Ucoswt U/2+ cos(w - W)t U/2+ cos(w + W)t . (4)

Перший доданок - коливання передавача без модуляції (режим мовчання). Другі – коливання бічних частот.

Якщо модуляція здійснюється складним низькочастотним сигналом зі спектром Fmin до Fmax , то спектр отриманого АМ сигналу має вигляд, зображений на рис. Займана АМ - сигналом смуга частот Δfс не залежить від m і дорівнює

Δfс = 2Fmax. (5)

Виникнення коливань бічних частот при модуляції призводить до необхідності розширення смуги пропускання контурів передавача (і відповідно приймача). Вона повинна бути

де Q - добротність контурів,

Df - абсолютне розлад,

Dfк – смуга пропускання контуру.

На рис. спектральні складові, що відповідають нижнім модулюючим частотам (Fmin), мають менші ординати.

Це пояснюється такою обставиною. У більшості видів сигналів (наприклад, мовних), що надходять на вхід передавача, амплітуди високочастотних складових спектра малі порівняно з низькими і середніми частотами. Щодо шумів на вході детектора в приймачі, то їх спектральна щільністьпостійна в межах смуги пропускання

приймача. В результаті коефіцієнт модуляції та відношення сигнал-шум на вході детектора приймача для високих частот сигналу, що модулює виявляються малими. Для збільшення відношення сигнал-шум високочастотні складові модулюючого сигналу при передачі підкреслюються шляхом посилення високочастотних складових більша кількістьразів у порівнянні зі складовими низьких і середніх частот, а при прийомі до або після детектора в стільки ж разів послаблюються. Ослаблення високочастотних складових до детектора відбувається практично завжди у високочастотних резонансних ланцюгах приймача. Слід зазначити, що штучне підкреслення верхніх модулирующих частот допустимо, доки воно призводить до перемодуляції (m > 1).

2.1.1.Детерміновані та випадкові сигнали

Детермінований сигнал- Це сигнал, миттєве значенняякого будь-якої миті часу можна передбачити з ймовірністю рівної одиниці.

Прикладом детермінованого сигналу (рис.10) можуть бути: послідовності імпульсів (форма, амплітуда та положення в часі яких відомі), безперервні сигнали із заданими амплітудно-фазовими співвідношеннями.

Способи завдання ММ сигналу: аналітичний вираз (формула), осцилограма, спектральне уявлення.

Приклад ММ сигналу детермінованого.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t+j 0)

Випадковий сигнал– сигнал, миттєве значення якого будь-якої миті часу заздалегідь невідомо, і може бути передбачено з деякою ймовірністю, менше одиниці.

прикладом випадкового сигналу(рис. 11) може бути напруга, що відповідає людському мовленню, музиці; послідовність радіоімпульсів на вході радіолокаційного приймача; завади, шуми.

2.1.2. Сигнали, які застосовуються в радіоелектроніці

Безперервні за величиною (рівнем) та безперервні за часом (безперервні або аналогові) сигнали– приймають будь-які значення s(t) та існують у будь-який момент у заданому часовому інтервалі (рис. 12).

Безперервні за величиною та дискретні за часом сигнализадані при дискретних значеннях часу (на лічильній множині точок), величина сигналу s(t) у цих точках приймає будь-яке значення у певному інтервалі по осі ординат.

Термін "дискретний" характеризує спосіб завдання сигналу на осі часу (рис. 13).

Квантовані за величиною та безперервні за часом сигнализадані по всій часовій осі, але величина s(t) може набувати лише дискретні (квантовані) значення (рис. 14).

Квантовані за величиною та дискретні за часом (цифрові) сигнали– передаються значення рівнів сигналу у цифровій формі (рис. 15).

2.1.3. Імпульсні сигнали

Імпульс- Коливання, що існує лише в межах кінцевого відрізка часу. На рис. 16 і 17 представлені відеоімпульс та радіоімпульс.

Для трапецієдального відеоімпульсу вводять параметри:

А – амплітуда;

t і – тривалість відеоімпульсу;

t ф – тривалість фронту;

t ср - тривалість зрізу.

S р (t) = S (t) Sin (w 0 t + j 0)

S в (t) -відеоімпульс – загальна для радіоімпульсу.

Sin(w 0 t+j 0) –заповнення радіоімпульсу.

2.1.4. Спеціальні сигнали

Функція включення (поодинока функція(Рис. 18) або функція Хевісайду)описує процес переходу деякого фізичного об'єкта з «нульового» в «одиничний» стан, причому цей перехід відбувається миттєво.

Дельта-функція (Функція Діраку)є імпульсом, тривалість якого прагне нулю, у своїй висота імпульсу необмежено зростає. Вважається, що функція зосереджена у цій точці.

	(2)
	(3)

За принципом обміну інформацією розрізняють три види радіозв'язку:

симплексний радіозв'язок;

дуплексний радіозв'язок;

напівдуплексний радіозв'язок.

За типом апаратури, що використовується в радіоканалі зв'язку, розрізняють такі види радіозв'язку:

телефонна;

телеграфна;

передачі даних;

факсимільна;

телевізійна;

радіомовлення.

За типом радіоканалів зв'язку розрізняють такі види радіозв'язку:

поверхневою хвилею;

тропосферна;

іоносферна;

метеорна;

космічна;

радіорелейна.

Види документованого радіозв'язку:

телеграфний зв'язок;

передача даних;

факсимільний зв'язок.

Телеграфний зв'язок – для надсилання повідомлень у вигляді буквено-цифрового тексту.

Передача даних для обміну формалізованою інформацією між людиною та ЕОМ або між ЕОМ.

Факсимільний зв'язок передачі електричними сигналами нерухомих зображень.

1 – Телекс – для обміну письмовою кореспонденцією між організаціями та установами з використанням друкарських машинок з електронною пам'яттю;

2 - Теле (відео) текст - для отримання інформації з ЕОМ на монітори;

3 – ТБ (бюро) факс – для отримання використовуються факсимільні апарати (або у користувачів, або на підприємствах).

У радіомережах широко використовуються такі види сигналів радіозв'язку:

А1 - AT з маніпуляцією незагасаючими коливаннями;

А2 - маніпуляція коливаннями, що тонально-модулюються.

АЗН - А1 (В1) - ОМ з 50% несучою

АЗА - А1 (В1) - ОМ з 10% несучою

АЗУ1 - А1 (Bl) - ОМ без несучої

3. Особливості поширення радіохвиль різних діапазонів.

Поширення радіохвиль світіаметрового, кілометрового та гектометрового діапазонів.

Для оцінки характеру поширення радіохвиль тієї чи іншої діапазону необхідно знати електричні властивості матеріальних середовищ, у яких поширюється радіохвиля, тобто. знати і ε А землі та атмосфери.

Закон повного струму в диференційній формі свідчить, що

тобто. зміна у часі потоку магнітної індукції зумовлює появу струму провідності та струму зміщення.

Запишемо це рівняння з урахуванням властивостей матеріального середовища:

λ < 4 м - диэлектрик

4 м< λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 м – провідник

Морська вода:

λ < 3 м - диэлектрик

3 см< λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 м – провідник

Для хвилі миріаметрового (CВД):

λ = 10 ÷ 100 км f = 3 ÷ 30 кГц

та кілометрового (ДВ):

λ = 10 ÷ 1 км f = 30 ÷ 300 кГц

діапазонів поверхня землі за своїми електричними параметрами наближається до ідеального провідника, а іоносфера має найбільшу провідність та найменшу діелектричну проникність, тобто. близька до провідника.

RV діапазонів CДВ і ДВ практично не проникають у землю та іоносферу, відбиваючись від їх поверхні і можуть поширюватися природними радіотрасами на значні відстані без істотної втрати енергії поверхневими і просторовими хвилями.

Т.к. Довжина хвилі СДВ діапазону порівнянна з відстанню до нижньої межі іоносфери, то поняття простої і поверхневої хвилі втрачає сенс.

Процес поширення RV розглядається як те, що відбувається у сферичному хвилеводі:

Внутрішня сторона – земля

Зовнішня сторона (вночі – шар Е, вдень – шар Д)

Хвильоводний процес характеризується незначними втратами енергії.

Оптимальні RV – 25 ÷ 30 км

Критичні RV (сильне згасання) – 100 км і більше.

Притаманні явища: - завмирання, радіолуна.

Завмирання (федінги) в результаті інтерференції RV, що пройшли різні шляхи і мають різні фази в точці прийому.

Якщо протифазі в точці прийому поверхнева і просторова хвиля, це фединг.

Якщо протифазі в точці прийому просторові хвилі, це далекий федінг.

Радіоехо - це повторення сигналу в результаті послідовного прийому хвиль, що відбилися від іоносфери різне число разів (ближнє радіолуна) або прийшли в точку прийому без і після огинання земної кулі (дальше радіолуна).

Земна поверхня має стійкі властивості, а місця вимірювання умов іонізації іоносфери мало впливають на поширення RV СДВ діапазону, то величина енергії радіосигналу мало змінюється протягом доби, року та в екстремальних умовах.

У діапазоні км хвиль добре виражені і поверхнева та просторова хвилі (і вдень, і вночі), особливо на хвилях λ> 3 км.

Поверхневі хвилі при випромінюванні мають кут піднесення трохи більше 3-4 градусів, а просторові хвилі випромінюються під великими кутами до земної поверхні.

Критичний кут падіння RV км. діапазону дуже малий (вдень на шар Д, а вночі на шар Е). Промені з кутами піднесення, близько 90° відбиваються від іоносфери.

Поверхневі хвилі км діапазону завдяки гарній дифракційній здатності можуть забезпечити зв'язок на відстань до 1000 км і більше. Однак із відстанню ці хвилі сильно згасають. (На 1000 км поверхнева хвиля за інтенсивністю менша за просторову).

На дуже великі відстані зв'язок здійснюється лише просторовою км хвилею. В області рівної інтенсивності поверхневої та просторової хвиль спостерігається ближній федінг. Умови поширення кілометрів хвиль мало залежать від сезону, рівня сонячної активності, слабко залежить від часу діб (вночі рівень сигналу більше).

Прийом у км діапазоні рідко погіршується через сильні атмосферні перешкоди (гроза).

При переході від КМ (ДВ) км до гектометрового діапазону зменшується провідність землі та іоносфери. ε землі і наближається до ε атмосфери.

Зростають втрати землі. Хвилі глибше проникають у іоносферу. На відстані кілька сотень кілометрів починають переважати просторові хвилі, т.к. поверхневі поглинаються землею та згасають.

На відстані приблизно 50-200 км поверхневі та просторові хвилі рівні за інтенсивністю і може виявлятися ближній федінг.

Завмирання часті та глибокі.

Зі зменшенням λ глибина замирань зростає при зменшенні тривалості замикань.

Особливо сильні завмирання на більше 100 м.

Середня тривалість завмирань коливається від кількох секунд (1 с) до кількох десятків секунд.

Умови радіозв'язку в гектометровому діапазоні (СВ) залежить від сезону та часу доби, т.к. шар Д зникає, а шар Е – вище, причому у шарі Д велике поглинання.

Дальність зв'язку вночі більша, ніж удень.

Взимку умови прийому покращуються за рахунок зменшення електронної густини іоносфери та послаблюються в атмосферних полях. У містах прийом залежить від промислових перешкод.

РозповсюдженняRV- Декаметрового діапазону (КВ).

При переході від СВ до КВ втрати в землі сильно збільшуються (земля є недосконалим діелектриком), в атмосфері (іоносфері) зменшується.

Поверхневі хвилі на природних радіотрасах КВ діапазону мають мале значення (слабка дифракція, сильне поглинання).

Амплітудна модуляція (AM) є найбільш простим і дуже поширеним у радіотехніці способом закладання інформації високочастотне коливання. При AM оминає амплітуд несучого коливання змінюється за законом, що збігається із законом зміни переданого повідомлення, частота ж і початкова фаза коливання підтримуються незмінними. Тому для амплітудно-модульованого радіосигналу загальний вираз (3.1) можна замінити наступним:

Характер огинаючої А(t) визначається видом повідомлення, що передається.

При безперервному повідомленні (рис. 3.1, а) модульоване коливання набуває вигляду, показаного на рис. 3.1 б. Огибающая А(t) збігається формою з модулирующей функцією, т. е. з переданим повідомленням s (t). Малюнок 3.1 б побудований в припущенні, що постійна складова функції s(t) дорівнює нулю (в протилежному випадку амплітуда несучого коливання при модуляції може не збігатися з амплітудою немодульованого коливання). Найбільша зміна A(t) «вниз» може бути більше . Зміна ж «вгору» може бути в принципі і більшою.

Основним параметром амплітудно-модульованого коливання є коефіцієнт модуляції.

Мал. 3.1. Модулююча функція (а) та амплітудно-модульоване коливання (б)

Визначення цього поняття особливо наочно для тональної модуляції, коли функція, що модулює, є гармонічним коливанням:

Огинальну модульованого коливання при цьому можна подати у вигляді

де – частота модуляції; - Початкова фаза огинаючої; - Коефіцієнт пропорційності; - амплітуда зміни огинаючої (рис. 3.2).

Мал. 3.2. Коливання, модульоване за амплітудою гармонічною функцією

Мал. 3.3. Коливання, модульоване амплітуді імпульсною послідовністю

Ставлення

називається коефіцієнтом модуляції.

Таким чином, миттєве значення модульованого коливання

При неспотвореній модуляції амплітуда коливання змінюється в межах від мінімальної до максимальної.

Відповідно до зміни амплітуди змінюється і середня за період високої частотипотужність модульованого коливання. Пікам огинаючої відповідає потужність, (1 4 разів більша потужності несучого коливання. Середня ж за період модуляції потужність пропорційна середньому квадрату амплітуди A(t):

Ця потужність перевищує потужність несучого коливання лише в раз. Таким чином, при 100% модуляції (М = 1) пікова потужність дорівнює а середня потужність (через позначена потужність несучого коливання). Звідси видно, що обумовлене модуляцією збільшення потужності коливання, яке в основному і визначає умови виділення повідомлення при прийомі, навіть при граничній глибині модуляції не перевищує половини потужності коливання, що несе.

При передачі дискретних повідомлень, що є чергуванням імпульсів і пауз (рис. 3.3, а), модульоване коливання має вигляд послідовності радіоімпульсів, зображених на рис. 3.3 б. При цьому мається на увазі, що фази високочастотного заповнення в кожному імпульсів такі ж, як і при «нарізанні» їх з одного безперервного гармонійного коливання.

Тільки за цієї умови показану на рис. 3.3 б послідовність радіоімпульсів можна трактувати як коливання, модульоване лише по амплітуді. Якщо від імпульсу до імпульсу фаза змінюється, слід говорити про змішаної амплітудно-кутової модуляції.