Лекция "Системы связи"

2.1. Теоретико­множественные модели систем связи 2. Системы связи 2.2. Системы связи и их звенья Под   системой   связи   понимается   совокупность   средств   для   передачи сообщений.   Линия   связи   может   иметь   двунаправленный   характер   или передавать сообщения сразу группе адресатов.  Структура схема системы связи приведена на рис. 2.2.  Вход ia Кодирующее устройство jb Модулятор Передатчик )(ts Согласован  с каналом  ие Помехи Линия связи Выход ia Декодирую ­ щее во­ устр Демодулято р Приемник jb Рис. 2.2. Структурная схема системы связи )(tz Согласован  с каналом  ие 2.4. Модулированные сигналы )(tb Как   правило,   сигнал   ,   вырабатываемый   источником,   не   может эффективно передаваться по системам связи. В таких случаях для передачи первичного сигнала выбирается   сигнал, хорошо передающийся по каналам связи, параметры которого меняются в зависимости от первичного сигнала. Этот сигнал называется несущим.  Чаще   всего   в   качестве   вторичного   сигнала   выбирается   гармонический . Кроме того, такой способ позволяет передавать сигнал  по одному каналу связи сразу несколько первичных сигналов.   )( Ut cos(  t 0 ) 0 f 0 В   зависимости   от   изменяемого   параметра   гармонического   сигнала разделяют следующие виды модуляции.  Амплитудная модуляция (АМ). При АМ изменяется амплитуда несущего сигнала:  u ам )( t  ( U  0 ( tbk ам )) cos(  t 0 ) ,    0 значению первичного сигнала;  амk где   0U   – составляющая вторичного сигнала, соответствующая нулевому  – коэффициент амплитудной модуляции.  Значение коэффициента амплитудной модуляции выбирается из значения коэффициента модуляции  m : k ам m  )( tb U 0 max  1 . Чаше всего коэффициент модуляции выражается в процентах. Величина %100m  называется глубиной АМ модуляции.         Частотная модуляция (ЧМ).  В ЧМ сигнале, при постоянной амплитуде u cos(( изменяется частота сигнала  )( Ut чм     Диапазон изменения  )(tb Фазовая модуляция (ФМ). При малых значениях полосы качания частоты сигнал с ЧМ похож на сигнал с ФМ. В ФМ в зависимости от первичного сигнала меняется фаза вторичного сигнала 0 0 называют полосой качания частоты.    tb ))( cos( ( tb )) t  U ) .  0 u фм k фм k чм  0 t 0 . На рис. 2.8 представлен первичный сигнал и с использованием АМ, ЧМ и ФМ. )(tb f )(t u )(ам t u )(чм t u )(фм t Рис. 2.8. Сигналы при использовании различных видах модуляции, при использовании, в качестве первичного сигнала,  прямоугольный На рис. 2.9 представлен треугольный первичный сигнал и с использованием АМ, ЧМ и ФМ. )(tb f )(t u )(ам t u )(чм t u )(фм t Рис. 2.9. Сигналы при использовании различных видах модуляции, при использовании, в качестве первичного сигнала,  треугольный Импульсные виды модуляции. В качестве несущей, кроме гармонического сигнала, могут использоваться и другие несущие, например, последовательность импульсов.   На рис. 2.10 показаны параметры импульса, на изменении которых возможно построение импульсных видов модуляции. )(tu иh t и и иT Рис. 2.10. Способы формирования импульсной модуляции На   рис.   2.11   представлен   первичный   сигнал     преобразованный   с помощью различных видов импульсной модуляции. Сигнал   получен с использованием   амплитудно   –   импульсной   модуляции   (АИМ).   При   АИМ амплитуда импульсов (параметр  h  на рис. 2.10) изменяется в зависимости от значений первичного сигнала  )( аим t  kh )(tb )(tb tb )( :   .  u u В  широтно–импульсной  модуляции  (ШИМ),  представленном   на  рис.2.11  изменяется  под названием  ширина импульса, обозначенная на рис. 2.10 как  и ,    в зависимости от значений сигнала  шим )(tb )( tb )(шим t  k и )(фим t Сигнал     изображенный   на   рис.   2.11   получен   с   использованием фазоимпульсной модуляции (ФИМ). В ФИМ фаза импульса, обозначенная на рис.   2.10   как   и ,   изменяется   в   зависимости   от   первичного   сигнала:  k  )( tb .  u 0 аим h 0 0 фим .   0 В частотно–импульсно модулированном (ЧИМ) сигнале   импульсов зависит от значения первичного сигнала  )(tb u )( чим t   частота . На рис. 2.10 частоте импульсов соответствует обратное значение периода  иT ,   T и  k )( tb чим  k . 0 )(tb u аим t )( )(шим t u u )(фим t u чим t )( t t t t t Рис. 2.11. Иллюстрация импульсных видов модуляции Прямая   посылка   сигналов   с   импульсной   модуляцией   часто   бывает   не эффективной. В импульсных системах связи чаще всего кроме импульсной модуляции   используется   вторичная   модуляция.   Структурная   схема импульсной системы связи приведена на рис. 2.12. Источник сообщения Импульсный модулятор Генератор импульсов Модулятор Канал связи Генератор несущей Рис. 2.12. Структурная схема передающей части импульсной системы связи    Пример передачи сигнала    , представленном на рис. 2.11, показан на рис.   2.13.   В   качестве   первичной   импульсной   модуляции   на   рис.   2.13 используется   амплитудно–импульсная   модуляция,   в   качестве   вторичной модуляция используется амплитудная модуляция.  )(tb )(tb u аим u аим )( t )( t ам­ t t Рис. 2.13. Сигнал передача исходного сигнала с использованием в качестве первичной амплитудно–импульсной и вторичной амплитудной модуляции      2.5. Спектры модулированных сигналов Ключевым   вопросом   выбора   конкретного   вида   модуляции   является ширина спектральной полосы, занимаемой модулированным сигналом. Для   примера   рассмотрим   сигнал   использованием амплитудной модуляцией: tb  )( cos( Rt ) ,   передаваемый   с  1  0   Utu )( )( tbk ам . Если разложить сигнал на гармонические составляющие, то получим: . )( Utu  ))( tRt  cos(( cos(( cos( cos( cos( cos( )) tR )) tR ам  Ut ) 0  0 t )  k   0  0 0 0 t ) 0  1  kU ам0 2 kU ам0 2   На рис. 2.14 изображен сектор сигнала  )(tb  и модулированного сигнала . )(tu (S ) 1 (S ) 0U ам0kU 2 ам0kU 2 0 R а)  0 0R0 R0  б) Рис. 2.14. Спектры: а) – исходного сигнала;  б) – модулированного сигнала В случае  более  сложного  сигнала   спектры  будут  выглядеть  следующим образом (рис. 2.15).  )(S )(S 0 1f 2f 3f  0 0 f 1 0 f 0 2 f 0 3 0 f 1 f 0 2 f 0  3 а) б) Рис. 2.15. Спектры: а) – исходного сигнала;  б) – модулированного сигнала Как   не   трудно   заметить,   полоса   частот   модулированного   сигнала , где   n  – номер равняется удвоенной полосе частот исходного сигнала  максимальной,  существенной   для   описания   первичного   сигнала   гармоники. Для случая,   представленного на рис. 2.15,     и соответственно полоса модулированного сигнала равна  3n nF2 .  32 f Спектральное представление модулированных сигналов при использовании частотных и фазовых видов модуляции значительно сложнее и могут быть получены численным образом при использовании преобразования Фурье (рис. 2.16). Рис. 2.16. Сигналы и спектры сигналов с использованием частотных и фазовых модуляций: а – первичный сигнал, б – частоно–модулированный сигнал, в – фазо– модулированный сигнал Как   нетрудно   заметить   из   рис.   2.14   и   2.16,   значительное   количество энергии   расходуется   на   передачу   заранее   известной   получателю   несущей, семеричные половины спектра амплитудно–модулированного сигнала, так же несут одинаковую для получателя информацию. Все это привело к появлению балансных видов модуляции. Спектры балансных видов модуляции показаны на рис. 2.17.  (б S ) (б S ) 0 0 а)  0 0 б) Рис. 2.17. Спектры сигналов с верхней (а) и нижней (б) балансной модуляцией для первичного сигнала представленного на рис. 2.15.а  Непосредственная   аппаратная   реализация   балансной   модуляции   требует значительных   ресурсов,   по   этому   как   правило   сигналы   с   балансной модуляцией   получаются   подавлением   верхних   или   нижних   лепестков амплитудно –  модулированного  сигнала  (штриховые  линии  на  рис. 2.17)  и несущей.   Схема   реализации   верхней   балансной   модуляции   с   помощью фильтра приведена на рис. 2.18.  )(б u  t Фильтр верхних частот Источник сообщения Амплитудный модулятор Генератор несущей Рис. 2.18. Реализация верхней балансной модуляции на основе фильтра Сигнал с нижней балансной модуляцией получается аналогично.  2.6. Многоканальные системы связи Подавляющее   большинство   систем   связи  является   многоканальными,  то есть по одной физической линии с помощью различных устройств уплотнения передаются несколько сигналов.  Пример   реализации   многоканальной   системы   связи   с   уплотнением сигналов приведен на рис. 2.19.  Источник сообщения Источник сообщения Источник сообщения )(1 tb )(2 tb  )(tbn Модулятор Генератор несущей 1 Модулятор Генератор несущей 2 Модулятор )(1 tu )(1 t f u сум t )(   В х о д f )(2 t )(2 tu  + Канал связи сум t )( u )(tun fn )(t Генератор несущей  n Полосовой фильтр 1 Детектор Полосовой фильтр 2 Детектор  )(1 tu )(1 tb )(2 tu )(2 tb Полосовой фильтр  Детектор n )(tun )(tbn Рис. 2.19. Многоканальная система с уплотнением сигналов )(1 tb  и  )(2 tb  и   Для иллюстрации работы системы уплотнения приведем пример передачи ), приведены двух сигналов  на  рис. 2.20.а  и 2.20.б.  Используется   амплитудная  модуляция  с  несущими частотами   1   и   2 .   Спектр   сигнала   на   выходе   аппаратуры   уплотнения приведен на рис. 2.20.в.  , спектры которых ( )(2 S )(1 S (1 S ) (2 S )  а)  б) S сум  )( 1 1F 2 2F  кF Рис. 2.20. Спектры сигналов и спектр сигнала на выходе аппаратуры уплотнения в) Для   успешного   последующего   разделения   сигналов   необходимо,  что   бы частотные   полосы   сигналов   1F   и   2F   не   пересекались   между   собой,   что достигается разносом частот несущих для модуляции  1  и  2 , а так же что бы данные частотные диапазоны были в пределах полосы пропускания канала связи  кF .    Для   разделения   принятых   сигналов   в   схеме   на   рис.   2.19   используются полосовые   фильтры,   выделяющие   требуемые   спектральные   составляющие. )(tui   поступают   на   декодеры,   восстанавливающие Выделенные   сигналы   )(tbi .      первоначальный вид сигналов  Наглядным   примером   уплотнения   сигналов   по   частоте   является одновременная   работа   двух   телефонов   по   одной   линии   (второй   телефон подключен по высокой частоте) или прием по кабельному телевидению сразу многих каналов, разнесенных по высокой частоте.      Кроме уплотнения по частоте, в системах связи используется уплотнение по   времени.  При   временном   уплотнении   значения   сигналов  передаются   по очереди в одном частотном диапазоне. Структурная схема многоканальной системы связи с временным уплотнением приведена на рис. 2.21.  Источник сообщения Источник сообщения Источник сообщения )(1 tb )(2 tb  )(tbn Синхрониза   ция )(tu Канал связи )(tu Детектор  Модулятор Генератор несущей f )(t )(1 tb )(2 tb  )(tbn  Рис. 2.21. Структурная схема многоканальной системы связи с временным уплотнением Процессы в схеме представлены на рис. 2.22. )(1 tb )(2 tb сум t )( b t t t Рис. 2.22. Процессы в многоканальной схеме с временным уплотнением     Примером   системы   с   временным   уплотнением   может   служить   АПРК Теллур,   уже   упоминавшийся   в   главе   1.   Отрезки   сигналов   различных источников в аппаратуре временного уплотнения передаются интервалами по общему каналу. Для правильного приема сообщений необходимо обеспечить синхронизацию работы элемента распределения передатчика и приемника.