3.3 Способы манипуляции в цифровых радиоканалах
Для передачи цифровых сигналов по радиоканалу, их так же, как и ранее рассмотренные аналоговые сигналы речевых сообщений, преобразуют в высокочастотные колебания. При этом, цифровые сигналы используются в качестве управляющих или модулирующих, в соответствии с которыми, скачкообразно изменяются параметры несущего высокочастотного колебания. Данную процедуру преобразования именуют манипуляцией.
В зависимости от изменяемого параметра несущего колебания различают амплитудную (АМн), частотную (ЧМн), фазовую (ФМн) манипуляции и их комбинации.
Амплитудная манипуляция
При амплитудной манипуляции (АМн, англ. ASK - amplitude shift keying) под воздействием информационных импульсов управляющего сигнала (рис. 3.3,а) изменяется амплитуда несущего колебания (рис. 3.3,в). В общем случае, символам 0 и 1 управляющего сигнала соответствует два различных уровня высокочастотных колебаний.
Рис. 3.3 Временные диаграммы сигналов: а) управляющий; б) несущей частоты;
в) амплитудно-манипулированный
На этом рисунке, символу 1 соответствует определенный уровень несущего колебания, а символу 0 - полное отсутствие колебаний.
Такие амплитудно-манипулированные сигналы (АМн сигналы) представляют собой последовательности радиоимпульсов (рис. 3.3,в), которые отличаются от последовательности видеоимпульсов (рис. 3.3,а), частотой высокочастотного заполнения fo.
Поэтому, спектральная диаграмма последовательности радиоимпульсов сдвинута на оси частот по отношению к спектру последовательности видеоимпульсов на значение fo (рис. 3.4,б).
Кроме несущей частоты fo, в спектре содержатся пары боковых частот:
- fo + Fc и fo - Fc (за счет модуляции первой гармоникой Fc видеоимпульсов);
- fo + 2Fc и fo- 2Fc (от второй гармоники 2Fc);
- fo + 3Fc и fo - 3Fc (от третьей гармоники 3Fc) и т. д.
Рис. 3.4 Спектральная диаграмма последовательности видеоимпульсов и радиоимпульсов
Следовательно, ширина спектра ΔF=2∆fАМн для прямоугольной последовательности радиоимпульсов в два раза больше, чем для соответствующей последовательности видеоимпульсов.
В сравнении с последующими видами манипуляции, каналы связи с амплитудной манипуляцией обладают наименьшей помехоустойчивостью.
Частотная манипуляция
Частотно-манипулированные сигналы (ЧМн, англ. FSK - Frequency Shift Keying) являются наиболее распространенным видом сигналов в современной цифровой связи.
В ЧМн сигналах под воздействием информационных импульсов управляющего сигнала (рис. 3.5,а), меняется скачком частота колебания относительно несущей частоты f0 (рис. 3.5,в).
Рис. 3.5 Временные диаграммы сигналов: а) управляющий; б) несущей частоты;
в) частотно-манипулированный
В двоичной частотной манипуляции используется две несущие частоты: одна, f1 - для двоичного нуля; другая, f2 – для двоичной единицы.
Поэтому спектральная диаграмма также состоит из двух диаграмм (рис. 3.6), каждая из которых соответствует последовательностям радиоимпульсов с одинаковой частотой следования Fc, но разными значениями несущих частот f1 и f2, и симметрично расположенных относительно несущей частоты f0.
Рис. 3.6 Спектр двоичного ЧМн сигнала
Разность f1 - f2 = Δf называется частотным сдвигом. Частотный сдвиг должен быть таким, чтобы не было наложения гармонических составляющих частоты следования Fc, принадлежащих смежным спектральным диаграммам. Максимальное отклонение частоты Δfm относительно значения несущей частоты f0 называется девиацией частоты. Отношение девиации частоты Δfm к частоте следования управляющего сигнала Fc (информационных битов) называется индексом частотной манипуляции, т.е. mf = Δfm/ Fc.
Примечание. Если в пределах одного периода следования Tс=1/Fc (рис. 3.3,а), помещается два информационных импульса, то частота следования в два раза меньше скорости передачи информации. Например, для стандартного цифрового канала (64 кбит/с) частота следования Fc=32 кГц.
Ширина спектра ЧМн сигнала зависит от частотного сдвига Δf и частоты следования импульсов.
На рис. 3.6, ширина спектра ЧМн сигнала, при ограничении, например, шириной в пределах 1/τ, включает в себя:
- частотный сдвиг Δf или двойное значение девиации частоты Δfm (при симметричном сдвиге частоты относительно несущей частоты f0);
- по две гармоники частоты следования Fc.
Таким образом, ширина спектра частотно-манипулированного сигнала:
ΔFЧМ = 2k · Fc + 2· Δfm, (3.3)
где k – номер гармоники частоты Fc.
Рассмотрим пример. Определим, какую ширину спектра должен иметь ЧМн сигнал для передачи по каналу связи со скоростью 64 кбит/с.
Определим длительность импульса. За одну секунду должно пройти 64 000 импульсов. Тогда, τ = 1/64 000 = 15,6 мкс.
Ширина спектра в пределах 1/τ составит 64 кГц. В пределах этой ширины помещается две спектральные линии частоты следования Fc (рис. 3.6). Следовательно, частота Fc = 32 кГц. Примем значение девиации частоты Δfm равным 130 кГц (чтобы не было наложения гармонических составляющих частоты следования Fc, принадлежащих смежным спектральным диаграммам). Таким образом, ширина спектра ЧМн сигнала составит (3.3):
ΔFЧМн = 2k · Fc + 2· Δfm = 2·2·32 +2·130 = 388 кГц.
Для передачи ЧМн сигнала по каналу связи со скоростью 9,6 кбит/с, девиацию частоты Δfm можно принять 20 кГц. В этом случае, ширина спектра ЧМн сигнала составит:
ΔFЧМн = 2k· Fc + 2·Δfm = 2·2·4,8 +2·20 = 59,2 кГц.
Таким образом, каналы связи, предназначенные для высокоскоростной передачи данных методом частотной манипуляции, должны быть широкополосными. Чем больше требуемая скорость передачи информации, тем шире должна быть полоса пропускания канала связи.
Существуют также другие способы частотной манипуляции несущей частоты цифровым сигналом. Например, при квадратурной частотной манипуляции каждой паре информационных импульсов выделяется отдельная частота: 00 - f1; 01 - f2; 10 - f3; 11 - f4. Скорость передачи информации, при этом, увеличивается вдвое.