4. Аналоговые многоканальные сигналы и цифровые методы работы Вопросы, подлежащие изучению

1. Принцип частотного разделения каналов ([1], стр. 30-36).  2. Теорема Котельникова и принцип временного разделения каналов ([1], стр. 37-42).  3. Принцип получения цифровых сигналов ([1], стр. 43-47).  4. Современная организация цифровых транспортных потоков ([1], стр. 47-54).

Пояснения к изучаемым вопросам

    Для передачи по системам связи сигналов многих пользователей широко применяется метод частотного разделения или уплотнения каналов. Метод заключается в переносе сигнала каждого канала по оси частот при помощи индивидуальной несущей. При этом каналы располагаются в не перекрывающихся полосах частот (по 4 кГц). Общее количество каналов, объединяемых таким образом, может составлять сотни и тысячи, при суммарном спектре в единицы и десятки мегагерц.      Другим методом разделения каналов является временное разделение (ВРК), когда информация каждого канала переда-ется дискретными отсчетами поочередно. Дискретизация сигналов (или представление непрерывных сигналов отдельными точками) проводится по теореме Котельникова.

Теорема Котельникова

Сигнал с ограниченным спектром (Fмакс) полностью определяется своими отсчетами, следующими с частотой (Fд), по крайней мере, в два раза большей верхней частоты сигнала.

         Fд  2Fмакс,                                                                                                      (2)

где Fд - частота дискретизации,  Fмакс - максимальная частота спектра сигнала.

    К примеру, Fмакс для телефонного канала составляет 3.4 кГц. Следовательно, ТЛФ сигнал можно передать отдельными значениями, следующими с частотой 6.8 кГц и выше (принято стандартное значение частоты дискретизации в ТЛФ канале 8 кГц).      При временном разделении сигналов отсчеты отдельных  каналов передаются поочередно. Количество каналов зависит от длительности каждого отсчета, защитного промежутка времени между отсчетами разных каналов и видом импульсной модуляции. Практически, в аналоговых системах связи, количество каналов при ВРК не превышает 48.      В современной технике связи наметился глобальный переход на цифровые технологии. При этом происходит преобразование первичных сигналов в цифровой вид. Процесс получения цифровых сигналов состоит из двух этапов:

· дискретизация сигналов по теореме Котельникова,  · квантование сигналов.

    Квантование сигналов заключается в преобразовании амплитуд отдельных дискретных значений в стандартные квантованные величины, которым присвоены индивидуальные коды в двоичной системе единиц. Последовательность двоичных чисел (которые называются кодовыми группами) и образует цифровой сигнал.      При преобразовании сигналов в цифровой вид возникают искажения, называемые «шумы квантования». Объясняются они несоответствием действительных амплитуд сигналов и значений квантованных уровней. Для уменьшения шумов квантова-ния нужно увеличивать число уровней квантования. В современной связи, чаще всего, применяется 256 уровней, что соответствует восьмиразрядному коду.      Цифровые сигналы занимают значительно большие полосы частот, чем аналоговые. К примеру, скорость цифрового потока одного стандартного телефонного канала составляет 64 кбит/c (тактовая частота - 64 кГц). Следовательно, в равноценных полосах частот можно передать значительно меньше цифровых каналов, чем аналоговых, что экономически невыгодно. Однако, развитие современных технологий и возможности высокоскоростных методов обработки информации, позволили создать эффективные системы сжатия цифровых сигналов. К примеру, системы типа MPEG-2 сжимают цифровые телевизионные сигналы в десятки раз, что существенно улучшает экономические показатели цифровых устройств и делает аналоговые структуры неконкурентоспособными.      Для передачи информации по системам связи цифровые сигналы разных пользователей объединяются в транспортные потоки методом временного разделения каналов. Прежние системы объединения использовали плезиохронную цифровую иерархию (PDH). К настоящему времени PDH стала тормозом для дальнейшего развития высокоскоростных цифровых телекоммуникаций. Поэтому, в последнее десятилетие, происходит переход на синхронную транспортную иерархию (SDH).

Вопросы для самопроверки

1. Поясните метод частотного разделения каналов.  2. Сформулируйте теорему Котельникова.  3. Определите частоту дискретизации для телевизионного сигнала.  4. Поясните метод временного разделения каналов.  5. Перечислите методы получения цифровых транспортных потоков.  Начало

5. Виды модуляции радиосигналов

Вопросы, подлежащие изучению

1. Модуляция в аналоговых системах (амплитудная, частот-ная и фазовая), основные принципы и области применения ([1], стр. 80-82, 113-120; [2], стр. 22-27; [3], стр. 15-20 )

2. Модуляция в цифровых системах связи ([1], стр. 147-152; [2], стр. 27-38).

3. Модуляция в оптических системах связи ([1], стр. 260-261)

Пояснения к изучаемым вопросам

    Модуляция радиосигналов - это изменение параметров переносчиков информации (радио или оптических волн) по заданному закону. Существует три основные вида модуляции: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ), - каждая из которых имеет большое число вариантов.      При амплитудной модуляции передаваемая информация управляет амплитудой радиосигнала. Такой вид модуляции получил широкое распространение в радиовещании на диапазонах длинных, средних и коротких волн (2-7 диапазоны) и для эфирного телевидения, работающего в диапазонах метровых и ультракоротких волн (8-й и, частично, 9-й диапазоны). Частотная модуляция (управление частотой несущих колебаний) применяется для высококачественного радиовещания в УКВ диапазоне, в аналоговых радиорелейных и спутниковых линиях связи. Фазовая аналоговая модуляция близка по характеристикам к частотной модуляции. В современных цифровых системах связи применяются сложные виды частотной или фазовой модуляции. При этом цифровые потоки разделяются на несколько параллельных ветвей, в каждой из которых проводится модуляция. Затем сигналы отдельных ветвей объединяются в общий сигнал, образую композицию, которая называется многоуровневой модуляцией. 4ФМ, 16КАМ, 64КАМ - некоторые примеры многоуровневой модуляции, позволяющие значительно сузить полосы частот, занимаемые передаваемым сигналом. С целью повышения помехоустойчивости цифровых систем разработаны кодированные виды многоуровневой модуляции (32BCM, 128TCM и пр.).     В приемной частях систем связи устанавливаются соответствующие демодуляторы, проводящие операции, обратные модуляторам.

    Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные виды модуляции для аналоговых систем связи.  2. Приведите примеры применения основных видов модуляции.  3. Поясните принципы модуляции для цифровых систем связи.  4. Объясните основные виды модуляции оптических систем связи.  Начало

6. Радиопередающие устройства и оптические передатчики

Вопросы, подлежащие изучению

1. Структурная схема и основные показатели радиопередающих устройств ([1], стр. 88-89; [2], стр. 105-107; [3], стр. 75-78). Оптические передатчики ([1], стр. 252-256).  2. Автогенераторы, стабилизация частоты колебаний ([2], стр. 153-155; [3], стр. 95-100)  3. Усилители мощности передатчиков ([2], стр. 142-146).

Пояснения к изучаемым вопросам

    На вход радиопередающего устройства поступает модулированный сигнал. В современных системах связи модуляция про-водится на стандартной промежуточной частоте. К примеру, в системах связи, работающих в диапазонах СВЧ, промежуточная частота может быть 70, 140 или 820 МГц (существуют и другие стандарты). Задачей радиопередающего устройства, в таких случаях, является преобразование сигнала промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и доведение мощности сигнала до необходимого уровня. Соответственно, упрощенная структурная схема радиопередатчика состоит из преобразователя частоты, полосового фильтра и выходного усилителя (рис. 1). Преобразователь частоты состоит из смесителя и задающего генератора. Смеситель представляет собой нелинейный элемент, который смешивает частоты сигналов, поступающих на него и выдает на выходе две полосы частот - суммарные и разностные (в данном случае сумму и разность промежуточной частоты и частоты задающего генератора). Полосовой фильтр выделяет одну из полос частот.

Рис. 1

Для работы преобразователя частоты необходимы высокостабильные генераторы. Любой генератор состоит из усилителя и цепей обратной связи (рис. 2).

Рис. 2

    При достаточном усилении сигнала (балансе амплитуд) и при правильной фазе сигнала, поступающего через цепь обратной связи (балансе фаз), в схеме возникают незатухающие колебания, форма которых определяется частотными характеристиками составляющих схемы. Если характеристики усилителя и цепи обратной связи формируются узкополосными элементами (контурами или резонаторами), то форма колебаний будет близка к синусоидальной. В случае применения широкополосных элементов - генерируются импульсные колебания.      В задающих генераторах передатчиков применяются синусоидальные генераторы, стабильность которых определяется стабильностью контуров или резонаторов. В генераторах передатчиков 5-9 диапазонов нашли широкое применение кварцевые резонаторы. На более высоких частотах используются кварцевые генераторы с умножением частоты, синтезаторы частоты и, в последние годы, - генераторы на диэлектрических резонаторах.      Усилители передатчиков (УВЧ) обеспечивают необходимую выходную мощность, которая сильно отличается в разных диапазонах. К примеру, в диапазонах длинных и средних волн мощность радиостанций может составлять сотни киловатт и, даже, мегаватты, в диапазонах СВЧ - единицы и доли ватт, а в оптических диапазонах - единицы милливатт. Соответственно, усилители строятся на мощных лампах, транзисторах, микросхемах. Появились твердотельные, микроскопические усилители для радиосистем, работающих на частотах в десятки ГГц.      Оптические передатчики работают на специальных светодиодах и лазерах.

    Вопросы для самопроверки

1. Поясните назначение элементов структурной схемы радиопередатчика.  2. Назовите основные технические характеристики радиопередатчиков.  3. Поясните принцип работы генераторов.  4. Поясните назначение и технические реализации усилителей высокой частоты.  5. Поясните структурную схему передатчиков оптических систем связи.  Начало

7. Радиоприемные устройства

Вопросы, подлежащие изучению

1. Структурная схема супергетеродинного приемника([2], стр. 106-107; [3], стр.127-132).  2. Принципы построения отдельных элементов приемников ([2], стр. 147-155).  3. Особенности приемников ЧМ сигналов и области их применения ([2], стр. 116-187; [3], стр. 157-160).  4. Особенности приемников цифровых сигналов ([1], стр. 153-157; [2], стр. 106-107).

Пояснения к изучаемым вопросам

    Приемник выполняет преобразование частоты радиосигнала в промежуточную частоту и усиление сигнала на промежуточной частоте. Такой приемник называется супергетеродинным и его упрощенная схема может выглядеть так, как показано на рис. 3      Радиосигнал (f1) подается из антенны в преобразователь частоты через усилитель высокой частоты. Технические реше-ния применяемые для построения этих элементов похожи на соответствующие решения для передатчиков. Сигнал разностной (промежуточной) частоты, получающийся в процессе преобразования, отфильтровывается полосовым фильтром (ФПЧ) и усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Усиленный сигнал поступает в демодулятор. Основной особенностью приемников ЧМ сигналов является наличие амплитудного ограничителя, устанавливаемого перед демодулятором. Амплитудный ограничитель предназначен для устранения паразитной амплитудной модуляции, возникающей из-за шумов, помех и несовершенства характеристик элементов.

                                                                Рис.3

    Оптические приемники, в общем виде, выполняются по более простой схеме, состоящей, в основном, из светочувствительного элемента и усилителя. В качестве светочувствительных элементов применяются фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и пр. Усилители оптических приемников выполняются, как правило, по интегральной технологии.      В состав оптических приемных устройств открытого распространения входят антенные системы, представляющие собой зеркальный или линзовые конструкции.      В приемных устройствах волоконно-оптических систем связи волокна, как правило, стыкуются со светочувствительным элементом приемника непосредственно, без антенных устройств.