Заключение. В дискретных каналах связи используются видеоимпульсные последовательности, в которые путем модуляции (первый уровень модуляции) вносится сигнал, соответствующий сообщению.
В зависимости от вида модуляции различают АИМ видеосигналы (информация закладывается в амплитуду импульсов), ШИМ видеосигналы (информация закладывается в длительность импульсов), ФИМ (или ВИМ) видеосигналы (информация закладывается во временное положение импульсов), ЧИМ видеосигналы (информация закладывается в частоту повторения импульсов). Указанные видеоимпульсные последовательности применяются для модуляции (второй уровень модуляции) несущего (высокочастотного колебания), используемого в канале связи.
В цифровых каналах связи, являющихся разновидностью дискретных каналов, также применяются видеоимпульсные последовательности, однако информация в них закладывается путем аналого-цифрового преобразования сигнала сообщения и представляет собой цифровой, как правило, двоичный код. Видеоимпульсы кода, полученные в результате импульсно-кодовой модуляции, так же, как и в дискретных системах, применяются для модуляции (второй уровень модуляции) несущего колебания, используемого в цифровом канале связи.
В зависимости от того, в какой из параметров несущего колебания вносится информация о наличии (отсутствии) импульсов кодовой последовательности различают: ИКМ - АМ (ЦАМ) – несущим параметром является амплитуда радиоимпульсов; ИКМ - ЧМ (ЦЧМ) - несущим параметром является частота заполнения радиоимпульсов; ИКМ - ФМ (ЦФМ) - несущим параметром является начальная фаза радиоимпульсов; ОФМ - несущим параметром является начальная фаза каждого последующего радиоимпульса относительно предыдущего.
Спектры рассмотренных сигналов теоретически бесконечны, однако на практике их ограничивают одним (реже двумя) лепестками, содержащими более 90 % энергии импульсов.
Дискретные и цифровые сигналы требуют выделения для передачи значительно более широкой полосы частот, что является платой за достоинства дискретных и цифровых систем.
1. В чем заключается физический процесс модуляции несущего колебания? 2. Изобразите спектр АМ-колебания при однотональной модуляции. 3. Для каких целей используется балансная АМ и однополосная АМ (ОМ)? 4. Изобразите векторную диаграмму АМ-сигнала при однотональной модуляции. 5. Перечислите недостатки сигнала с АМ. 6. В чем заключаются различия и сходство ЧМ и ФМ ? 7. Чем различаются спектры однотональных АМ- и ЧМ-сигналов при малых индексах частотной модуляции? 8. Чему равна практическая ширина спектров сигналов при угловой модуляции? 9. Как определяются и как связаны между собой частота модуляции, девиация частоты и индекс модуляции в однотональных ЧМ- и ФМ-сигналах?
Лекция 14
Шумоподобные сигналы
В настоящее время в радиотехнике, в теории электросвязи, в теории информации усиленно разрабатываются методы синтеза сигналов с заданными (оптимальными) автокорреляционными и спектральными свойствами, которые наилучшим образом отвечают требованиям канала связи, в первую очередь по помехоустойчивости, скрытности, пропускной способности и электромагнитной совместимости.
1. Общие сведения о шумоподобных сигналах
К шумоподобным сигналам относят сигналы, имеющие базу значительно больше единицы (В = 2Fс τс >> 1, где Fс – ширина спектра сигнала; τс – длительность сигнала); корреляционную функцию, близкую к кнопочному виду; спектральную плотность, близкую к спектральной плотности белого шума.
В иностранной технической и научной литературе такие сигналы принято называть шумоподобными сигналами (ШПС), сигналами без несущей, сигналами с рассеянным спектром или секвентными сигналами.
По определению секвента равна числу изменений знака несинусоидальных функций за единицу времени. Обычно под секвентными сигналами понимается последовательность импульсов одинаковой формы и единичной амплитуды, но различных знаков.
В отечественной литературе секвентные сигналы часто называют шумоподобными или широкополосными сигналами. Их корреляционные функции и спектры плотности мощности близки к аналогичным характеристикам квазибелого шума.
Структура ШПС хорошо приспособлена для современных цифровых систем связи. Особенно это касается мобильных систем. ШПС, во-первых, позволяют уплотнить перегруженный частотный диапазон, во-вторых, обеспечивают скрытность передачи информации или абонентских переговоров.
Формирование ШПС связано с внесением избыточности в сигнал.
Исходный сигнал длительностью τс (соответствует символам «1» или «0» первичного кода) преобразуется в совокупность N сигналов длительностью τд= τс / N, так что τд << τс , являющихся определенной кодовой последовательностью (секвентой). Вновь образованный сигнал используется для манипуляции частоты или фазы несущего колебания.
Дополнительное кодирование сигнала является избыточным и определяет преимущества ШПС.
Рассмотрим основные особенности ШПС.
Для простых сигналов В ≈ 1, так что любое изменение длительности сигнала неизменно сопровождается обратно пропорциональным изменением ширины спектра сигнала.
Для ШПС указанные параметры сигнала могут изменяться независимо, что и позволяет выполнить условие В = 2Fc τc >> 1.
Действительно, исходный сигнал длительностью τc может быть представлен совокупностью любого числа элементарных кодовых импульсов (дискрет), что ограничено лишь физической реализуемостью кодирования. Ширина спектра кодированного сигнала определяется длительностью одного дискрета (τд= τс / N), поэтому кодированный сигнал при различных законах кодирования, имея постоянную длительность, может обладать различной шириной спектра.
Следует заметить, что если 2/τc – потребная полоса частот, необходимая для передачи сообщения, то 2/τд – полоса частот, занимаемая ШПС, в N раз превышающая потребную.
Значительное расширение спектральной плотности сигнала приводит к существенному уменьшению мощности спектральных составляющих. В результате для абонентов, аппаратура которых не предназначена для приема данного вида сигнала, ШПС будет действовать как широкополосный (квазибелый) шум.
Для получения АКФ кнопочного вида используют специальные коды (секвенты): Баркера, линейные рекуррентные М-последовательности (Голда, Лежандра и пр.), функции Радемахера, Уолша и др.
Очевидно, что наилучшими следует считать такие кодовые последовательности, для которых выпоняется условие
где В(0) — значение автокорреляционной функции сигнала в нуле, равное энергии сигнала; Е – энергия всего сигнала; Е1 – энергия одного элемента; N – количество элементов в коде (см. пример на рис. 104).
Прием ШПС осуществляется устройствами, имеющими в своем составе так называемые согласованные фильтры (фильтры, согласованные с сигналом, для приема которого они предназначены).
Отклик согласованного фильтра на «свой» ШПС имеет вид АКФ сигнала, отклик же на «чужой» ШПС (сигнал) является шумом.
Поскольку сигнал на выходе фильтра по длительности равен длительности одного дискрета (ширине АКФ на половинном уровне), то выходной сигнал имеет в N раз меньшую длительность, чем исходный. Поэтому согласованную обработку ШПС часто называют сжатием сигнала. Сжимаются любые сигналы, база которых удовлетворяет условию В >> 1.
Заметим, что низкий уровень боковых лепестков АКФ важен, поскольку для других близко расположенных по времени сигналов боковые лепестки играют роль помехи. Низкий уровень боковых лепестков АКФ обеспечивается выбором оптимального кода.
Согласованная обработка обеспечивает значительное превышение полезным сигналом (главным пиком АКФ) уровня шума (уровня боковых лепестков АКФ). С энергетической точки зрения это позволяет уменьшить мощность передающих устройств до значений, обеспечивающих требуемое качество функционирования системы связи.
Наиболее распространенным примером технической реализации шумоподобных сигналов могут служить сформированные определенным образом псевдослучайные последовательности прямоугольных радиоимпульсов, в частности, при манипуляции несущего колебания двоичными кодами. База таких сигналов определяется числом модулирующих импульсов в исходной последовательности.
Рассмотрим некоторые из них.
2. Сигналы (коды) Баркера
В 50 - 60-е гг. XX в. были найдены целые классы секвентных сигналов с совершенными корреляционными свойствами. Среди них большую известность получили сигналы (коды, последовательности) Баркера. Эти сигналы обладают уникальным свойством: независимо от номера позиции М = п в этих последовательностях значения их автокорреляционных функций при всех п 0 не превышают единицы (т.е. абсолютное значение «остатков» – боковых лепестков – не превышает 1п основного). В то же время энергия всех этих сигналов численно равна п.
Сигналы Баркера в настоящее время удается реализовать лишь при числе позиций М = 2, 3, 4, 5, 7, 11 и 13. Случаи М = 2 и М = 3 являются тривиальными. Исследования показали, что пока еще не найдены сигналы Баркера с нечетным числом позиций, большим 13. Поэтому для М > 13 приходится довольствоваться последовательностями, имеющими «остатки» АКФ, большие, чем 1М. При этом до сих пор неизвестно, можно ли построить сигнал Баркера с четным числом позиций М > 4.
В качестве иллюстрации на рис. 104 приведен вид 13-позиционного сигнала Баркера, его фазовое кодирование и АКФ.
Рис. 104. Сигнал Баркера при М = 13:
а — амплитудное кодирование; б — фазовое кодирование; в — АКФ