Основные характеристики радиосигналов. Классификация видов модуляции, основные характеристики радиосигналов. Расчёт спектральной плотности и энергетического спектра

По принципу обмена информацией различают три вида радиосвязи:

симплексная радиосвязь;

дуплексная радиосвязь;

полудуплексная радиосвязь.

По типу аппаратуры, используемой в радиоканале связи, различают следующие виды радиосвязи:

телефонная;

телеграфная;

передачи данных;

факсимильная;

телевизионная;

радиовещания.

По типу используемых радиоканалов связи различают следующие виды радиосвязи:

поверхностной волной;

тропосферная;

ионосферная;

метеорная;

космическая;

радиорелейная.

Виды документированной радиосвязи:

телеграфная связь;

передача данных;

факсимильная связь.

Телеграфная связь – для передачи сообщений в виде буквенно-цифрового текста.

Передача данных для обмена формализованной информацией между человеком и ЭВМ или между ЭВМ.

Факсимильная связь для передачи электрическими сигналами неподвижных изображений.

1 – Телекс – для обмена письменной корреспонденцией между организациями и учреждениями с использованием пишущих машинок с электронной памятью;

2 – Теле (видео) текст – для получения информации из ЭВМ на мониторы;

3 – Теле (бюро) факс – для получения используются факсимильные аппараты (либо у пользователей, либо на предприятиях).

В радиосетях широко используются следующие виды сигналов радиосвязи:

А1 - AT с манипуляцией незатухающими колебаниями;

А2 - манипуляция тонально-модулируемыми колебаниями

АЗН - А1 (В1) - ОМ с 50 % несущей

АЗА - А1 (В1) - ОМ с 10 % несущей

АЗУ1 - А1 (Bl) - ОМ без несущей

3. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов.

Распространение радиоволн мириаметрового, километрового и гектометрового диапазонов.

Для оценки характера распространения радиоволн того или иного диапазона необходимо знать электрические свойства материальных сред, в которых распространяется радиоволна, т.е. знать и ε А земли и атмосферы.

Закон полного тока в дифференциальной форме гласит, что

т.е. изменение во времени потока магнитной индукции обуславливает появление тока проводимости и тока смещения.

Запишем это уравнение с учетом свойств материальной среды:

λ < 4 м - диэлектрик

4 м < λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 м – проводник

Морская вода:

λ < 3 м - диэлектрик

3 cм < λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 м – проводник

Для волны мириаметрового (CВД):

λ = 10 ÷ 100 км f = 3 ÷ 30 кГц

и километрового (ДВ):

λ = 10 ÷ 1 км f = 30 ÷ 300 кГц

диапазонов поверхность земли по своим электрическим параметрам приближается к идеальному проводнику, а ионосфера имеет наибольшую проводимость и наименьшую диэлектрическую проницаемость, т.е. близка к проводнику.

RV диапазонов CДВ и ДВ практически не проникают в землю и ионос­феру, отражаясь от их поверхности и могут распространяться по естест­венным радиотрассам на значительные расстояния без существенной потери энергии поверхностными и пространственными волнами.

Т.к. длина волныСДВ диапазона соизмерима с расстоянием до нижней границы ионосферы, то понятие простой и поверхностной волны теряет смысл.

Процесс распространения RVрассматривается как происходящий в сферическом волноводе:

Внутренняя сторона - земля

Внешняя сторона (ночью - слой Е, днем - слой Д)

Волноводный процесс характеризуется незначительными потерями энергии.

Оптимальные RV – 25 ÷ 30 км

Критические RV (сильное затухание) - 100 км и более.

Присущи явления: - замирания, радиоэха.

Замирания (фединги) в результате интерференции RV, прошедших раз­ные пути и имеющие разные фазы в точке приема.

Если в противофазе в точке приема поверхностная и пространственная волна, то это фединг.

Если в противофазе в точке приема пространственные волны, то это дальний фединг.

Радиоэхо - это повторение сигнала в результате последовательного приема волн, отразившихся от ионосферы разное число раз (ближнее ради­оэхо) или пришедших в точку приема без и после огибания земного шара (дальнее радиоэхо).

Земная поверхность имеет устойчивые свойства , а места измерения условий ионизации ионосферы мало влияют на распространениеRV СДВ диапазона, то величина энергии радиосигнала мало изменяется в течение суток, года и вэкстремальных условиях.

В диапазоне км волн хорошо выражены и поверхностная и пространствен­ная волны (и днем, и ночью), особенно на волнах λ> 3 км.

Поверхностные волны при излучении имеют угол возвышения не более 3-4 градусов, а пространственные волны излучаются под большими углами к земной поверхности.

Критический угол падения RV км диапазона очень мал (днем на слой Д, а ночью на слой Е). Лучи с углами возвышения, близко к 90 ° отражаются от ионосферы.

Поверхностные волны км диапазона, благодаря хорошей дифракционной способнос­ти, могут обеспечить связь на расстояние до 1000 км и более. Однако с расстоянием эти волны сильно затухают. (На 1000 км поверхностная вол­на по интенсивности меньше пространственной).

На очень большие расстояния связь осуществляется только прост­ранственной км волной. В области равной интенсивности поверхностной и пространственной волн наблюдается ближний фединг. Условия расп­ространения км волн практически не зависят от сезона, уровня солнечной активности, слабо зависят от времени суток (ночью уровень сигнала боль­ше).

Прием в км диапазоне редко ухудшается из-за сильных атмосфер­ных помех (гроза).

При переходе от КМ (ДВ) км к гектометровому диапазону уменьшается проводимость земли и ионосферы. ε земли и приближается к ε атмос­феры.

Возрастают потери в земле. Волны глубже проникают в ионосферу. На расстоянии в несколько сот км начинают преобладать пространственные волны, т.к. поверхностные поглощаются землей и затухают.

На расстоянии примерно 50-200 км поверхностные и пространственные волны равны по интенсивности и может проявляться ближний фединг.

Замирания частые и глубокие.

С уменьшением λ глубина замираний возрастает при уменьшении дли­тельности запираний.

Особенно сильные замирания на λ больше 100 м.

Средняя длительность замираний колеблется от нескольких секунд (1 сек) до нескольких десятков секунд.

Условия радиосвязи в гектометровом диапазоне (СВ) зависят от сезона и времени суток, т.к. слой Д исчезает, а слой Е – выше, причем в слое Д большое поглощение.

Дальность связи ночью больше, чем днем.

Зимой условия приема улучшаются за счет уменьшения электронной плотности ионосферы и ослабляются в атмосферных полях. В городах при­ем сильно зависит от промышленных помех.

Распространение RV - декаметрового диапазона (КВ).

При переходе от СВ к КВ потери в земле сильно увеличиваются (зем­ля является несовершенным диэлектриком), в атмосфере (ионосфе­ре)-уменьшается.

Поверхностные волны на естественных радиотрассах КВ диапазона имеют малое значение (слабая дифракция, сильное поглощение).

В качестве переносчика сообщений используются высокочастотные электромагнитные колебания (радиоволны) соответствующего диапазона, способные распространяться на большие расстояния.

Колебание несущей частоты, излучаемое передатчиком, характеризуется: амплитудой, частотой и начальной фазой. В общем случае оно представляется в виде:

i = I m sin(ω 0 t + Ψ 0) ,

где: i – мгновенное значение тока несущего колебания;

I m – амплитуда тока несущего колебания;

ω 0 – угловая частота несущего колебания;

Ψ 0 – начальная фаза несущего колебания.

Первичные сигналы (передаваемое сообщение, преобразованное в электрическую форму), управляющие работой передатчика, могут изменять один из этих параметров.

Процесс управления параметрами тока высокой частоты с помощью первичного сигнала, называется модуляцией (амплитудной, частотной, фазовой). Для телеграфных видов передач применяется термин «манипуляция».

В радиосвязи, для передачи информации, применяются радиосигналы:

радиотелеграфные;

радиотелефонные;

фототелеграфные;

телекодовые;

сложные виды сигналов.

Радиотелеграфная связь различается: по способу телеграфирования; по способу манипуляции; по применению телеграфных кодов; по способу использования радиоканала.

В зависимости от способа и скорости передачи радиотелеграфные связи делятся на ручные и автоматические. При ручной передаче манипуляция осуществляется телеграфным ключом с использованием кода МОРЗЕ. Скорость передачи (при слуховом приеме) составляет 60–100 знаков в минуту.

При автоматической передаче манипуляция осуществляется электромеханическими устройствами, а прием с помощью печатающих аппаратов. Скорость передачи 900–1200 знаков в минуту.

По способу использования радиоканала телеграфные передачи подразделяются на одноканальные и многоканальные.

По способу манипуляции к наиболее распространенным телеграфным сигналам относятся сигналы с амплитудной манипуляцией (АТ – амплитудный телеграф – А1), с частотной манипуляцией (ЧТ и ДЧТ – частотная телеграфия и двойная частотная телеграфия – F1 и F6), с относительной фазовой манипуляцией (ОФТ – фазовая телеграфия – F9).

По применению телеграфных кодов используются телеграфные системы с кодом МОРЗЕ; стартстопные системы с 5-ти и 6-ти значным кодом и другие.

Телеграфные сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов (посылок) одинаковой или различной длительности. Наименьшая по длительности посылка называется элементарной.

Основные параметры телеграфных сигналов: скорость телеграфирования (V) ; частота манипуляции (F) ;ширина спектра (2D f) .

Скорость телеграфирования V равна количеству элементарных посылок, передаваемых за одну секунду, измеряется в бодах. При скорости телеграфирования 1 бод за 1 с передается одна элементарная посылка.

Частота манипуляции F численно равна половине скорости телеграфирования V и измеряется в герцах: F= V/2 .

Амплитудно-манипулированный телеграфный сигнал имеет спектр (рис.2.2.1.1), в котором кроме несущей частоты, содержится бесконечное множество частотных составляющих, расположенных по обе стороны от нее, с интервалами равными частоте манипуляции F. На практике для уверенного воспроизведения телеграфного радиосигнала достаточно принять кроме сигнала несущей частоты по три составляющих спектра, расположенных по обе стороны от несущей. Таким образом, ширина спектра амплитудно-манипулированного телеграфного ВЧ сигнала равна 6F. Чем больше частота манипуляции, тем шире спектр ВЧ телеграфного сигнала.

Рис. 2.2.1.1. Временное и спектральное представление сигнала АТ

При частотной манипуляции ток в антенне по амплитуде не изменяется, а меняется только частота в соответствии с изменением манипулирующего сигнала. Спектр сигнала ЧТ (ДЧТ) (рис. 2.2.1.2) представляет собой как бы спектр двух (четырех) независимых амплитудно-манипулированных колебаний со своими несущими частотами. Разность между частотой «нажатия» и частотой «отжатия» называется разносом частот, обозначается ∆f и может находиться в пределах 50 – 2000 Гц (чаще всего 400 – 900 Гц). Ширина спектра сигнала ЧТ составляет 2∆f+3F.

Рис.2.2.1.2. Временное и спектральное представление сигнала ЧТ

Для повышения пропускной способности радиолинии применяются многоканальные радиотелеграфные системы. В них на одной несущей частоте радиопередатчика, можно передавать одновременно две и более телеграфные программы. Различают системы с частотным уплотнением каналов, с временным разделением каналов и комбинированные системы.

Простейшей двухканальной системой является система двойного частотного телеграфирования (ДЧТ). Сигналы, манипулированные по частоте в системе ДЧТ передаются путем изменения несущей частоты передатчика вследствие одновременного воздействия на него сигналов двух телеграфных аппаратов. При этом используется то, что сигналы двух аппаратов, работающих одновременно, могут иметь лишь четыре сочетания передаваемых посылок. При таком способе в любой момент времени излучается сигнал одной частоты, соответствующий определенному сочетанию манипулированных напряжений. В приемном устройстве имеется дешифратор, с помощью которого формируются телеграфные посылки постоянного напряжения по двум каналам. Уплотнение по частоте заключается в том, что частоты отдельных каналов размещаются на различных участках общего диапазона частот и все каналы передаются одновременно.

При временном разделении каналов радиолиния предоставляется каждому телеграфному аппарату последовательно с помощью распределителей (рис.2.2.1.3).

Рис.2.2.1.3. Многоканальная система с временным разделением каналов

Для передачи радиотелефонных сообщений применяются в основном амплитудно-модулированные и частотно-модулированные высокочастотные сигналы. Модулирующий НЧ сигнал представляет собой совокупность большого количества сигналов разных частот, расположенных в некоторой полосе. Ширина спектра стандартного НЧ телефонного сигнала, как правило, занимает полосу 0,3–3,4 кГц.

Радиосигналами называют электромагнитные волны или электрические высокочастотные колебания, которые заключают в себе передаваемое сообщение. Для образования сигнала параметры высокочастотных колебаний изменяются (модулируются) с помощью управляющих сигналов, которые представляют собой напряжение, изменяющееся по заданному закону. В качестве модулируемых обычно используются гармонические высокочастотные колебания:

где w 0 =2πf 0 – высокая несущая частота;

U 0 – амплитуда высокочастотных колебаний.

К наиболее простым и часто используемым управляющим сигналам относятся гармоническое колебание

где Ω – низкая частота, много меньшая w 0 ; ψ – начальная фаза; U m – амплитуда, а также прямоугольные импульсные сигналы, которые характеризуются тем, что значение напряжения U упр (t )=U в течение интервалов времени τ и, называемых длительностью импульсов, и равно нулю в течение интервала между импульсами (рис.1.13). Величина T и называется периодом повторения импульсов; F и =1/T и – частота их повторения. Отношение периода повторения импульсов T и к длительности τ и называется скважностью Q импульсного процесса: Q =T и /τ и.

Рис.1.13. Последовательность прямоугольных импульсов

В зависимости от того, какой параметр высокочастотного колебания изменяется (модулируется) с помощью управляющего сигнала, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

При амплитудной модуляции (АМ) высокочастотных колебаний низкочастотным синусоидальным напряжением частотой Ω мод образуется сигнал, амплитуда которого изменяется во времени (рис.1.14):

Параметр m =U m /U 0 называют коэффициентом амплитудной модуляции. Его значения заключены в интервале от единицы до нуля: 1≥m≥0. Коэффициент модуляции, выраженный в процентах (т.е. m ×100%), называется глубиной амплитудной модуляции.

Рис. 1.14. Амплитудно-модулированный радиосигнал

При фазовой модуляции (ФМ) высокочастотного колебания синусоидальным напряжением амплитуда сигнала остается постоянной, а его фаза получает дополнительное приращение Δy под воздействием модулирующего напряжения: Δy=k ФМ U м sinW мод t , где k ФМ – коэффициент пропорциональности. Высокочастотный сигнал с фазовой модуляцией по синусоидальному закону имеет вид

При частотной модуляции (ЧМ) управляющий сигнал изменяет частоту высокочастотных колебаний. Если модулирующее напряжение изменяется по синусоидальному закону, то мгновенное значение частоты модулированных колебаний w=w 0 + k ЧМ U м sinW мод t , где k ЧМ – коэффициент пропорциональности. Наибольшее изменение частоты w по отношению к ее среднему значению w 0 , равное Δw М = k ЧМ U м, называется девиацией частоты. Частотно-модулированный сигнал может быть записан следующим образом:

Величина, равная отношению девиации частоты к частоте модуляции (Δw м /W мод = m ЧМ), называется коэффициентом частотной модуляции.

На рис.1.14 изображены высокочастотные сигналы при АМ, ФМ и ЧМ. Во всех трех случаях используется одинаковое модулирующее напряжение U мод, изменяющееся по симметричному пилообразному закону U мод (t )= k мод t , где k мод >0 на отрезке времени 0t 1 и k мод <0 на отрезке t 1 t 2 (рис.1.15,а).

При АМ частота сигнала остается постоянной (w 0), а амплитуда изменяется по закону модулирующего напряжения U АМ (t ) = U 0 k мод t (рис.1.15,б).

Частотномодулированный сигнал (рис.1.15,в) характеризуется постоянством амплитуды и плавным изменением частоты: w(t ) = w 0 +k ЧМ t . На отрезке времени от t =0 до t 1 частота колебаний увеличивается от значения w 0 до значения w 0 +k ЧМ t 1 , а на отрезке от t 1 до t 2 частота уменьшается опять до значения w 0 .

Фазомодулированный сигнал (рис.1.15,г) имеет постоянную амплитуду и скачкообразное изменение частоты. Поясним это аналитически. При ФМ под воздействием модулирующего напряжения

Рис.1.15. Сравнительный вид модулированных колебаний при АМ, ЧМ и ФМ:
а – модулирующее напряжение; б – амплитудно-модулированный сигнал;
в – частотно-модулированный сигнал; г – фазомодулированный сигнал

фаза сигнала получает дополнительное приращение Δy=k ФМ t , следовательно высокочастотный сигнал с фазовой модуляцией по пилообразному закону имеет вид

Таким образом, на отрезке 0t 1 частота равна w 1 >w 0 , а на отрезке t 1 t 2 она равна w 2

При передаче последовательности импульсов, например, двоичного цифрового кода (рис.1.16,а), также может использоваться АМ, ЧМ и ФМ. Такой вид модуляции называется манипуляцией или телеграфией (АТ, ЧТ и ФТ).

Рис.1.16. Сравнительный вид манипулированных колебании при АТ, ЧТ и ФТ

При амплитудной телеграфии образуется последовательность высокочастотных радиоимпульсов, амплитуда которых постоянна в течение длительности модулирующих импульсов τ и, и равна нулю все остальное время (рис.1.16,б).

При частотной телеграфии образуется высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой, и частотой, принимающей два возможных значения (рис.1.16,в).

При фазовой телеграфии образуется высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой и частотой, фаза которого изменяется на 180° по закону модулирующего сигнала (рис.1.16,г).