Устройства генерирования и формирования сигналов. Дискретные и цифровые виды модуляции. Бочаров М.И

промежуточной частоты, и тракта СВЧ, в который входят: СВЧ генератор опорной частоты, с помощью которой, повышающий смеситель с полосовым фильтром на выходе, усилитель мощности и циркуляторы.

Рис. 6.3.Структурная схема цифрового передатчика с формированием сигнала на ПЧ

Тракт ПЧ передатчика конструктивно выполняется совместно с демодулятором приемника. Этот блок часто называют «Модем». Иногда в состав модема структурно и конструктивно включают каскады предварительной обработки ЦИС, хотя они должны выделяться в отдельное кодирующее устройство или кодер. Разрабатываемые в настоящее время модемы могут работать на частотах до единиц гигагерц.

Достоинство схемы с манипуляцией на ПЧ - унификация тракта ПЧ, поскольку формирование и усиление ПЧ сигнала производятся на стандартной частоте (70; 140 МГц). Это, в частности, предопределяет использование манипуляции на ПЧ в передатчиках наземных станций космических линий радиосвязи. Передатчик с модуляцией на ПЧ при замене модулятора (манипулятора) может работать как на аналоговых (ЧМ), так и на цифровых линиях связи, а также использоваться для организации аналого-цифровых стволов при совместной передаче аналоговой и цифровой информации.

101

Недостатки схемы с модуляцией на ПЧ - дополнительные искажения сигнала, вносимые трактом ПЧ и повышающим смесителем; необходимость установки дополнительных СВЧ фильтров на выходе смесителя и худшие энергетические характеристики по сравнению со схемой манипуляции на СВЧ, если мощность передатчика мала (не превышает единиц ватт).

В передатчиках цифровой радиосвязи должна быть предусмотрена возможность передачи сигналов одного или нескольких служебных (операторских) каналов связи. Служебные сигналы можно передавать либо с помощью аналоговой манипуляции (узкополосной ЧМ), либо после преобразования их в цифровой вид и вставлять в основной ЦИС. При этом снижается уровень перекрестных искажений, но усложняется аппаратура: требуется увеличить скорость передачи основного ЦИС и после сжатия его во времени осуществить «врезки» сигналов служебных каналов. Для этого на входе передатчика и на выходе приемника устанавливают специальные устройства перекодирования.

Важными требованиями являются ограничение спектра излучаемого сигнала и подавление внеполосных излучений. Этой цели служат ПФ, устанавливаемые на выходе передатчика в тракте ПЧ, а в схемах с аналоговыми модуляторами ФНЧ в тракте манипуляции, например с квадратурно-амплитудной модуляцией вида КАМ-16 обеспечивает передачу информации со скоростью В = 140 Мбит/с в полосе 40 МГц, которая является стандартной на линиях радиорелейной связи. Фактически спектр сигнала КАМ-16 при манипуляции прямоугольным сигналом гораздо шире, и для устранения помех в соседних стволах его нужно ограничить полосой 40 МГц. Требования к фильтру таковы: при плоской вершине спад АЧХ на границах полосы пропускания ± 20 МГц не более 3 ... 4 дБ, затухание при расстройке ±26 МГц -40 дБ, а при больших расстройках не менее 50 дБ. Фильтр должен иметь линейную фазочастотную

102

характеристику.

Формирование радиосигнала обычно осуществляется на низком уровне мощности. Увеличение уровня сигнала до требуемого значения достигается путём покаскадного усиления. Однако этот процесс имеет особенности в зависимости от вида сигнала. Так передатчики, в которых информация заложена в изменении фазы, частоты или при дискретном изменении этих параметров, амплитуда усиливаемого сигнала постоянна. Это позволяет использовать энергетически выгодные режимы работы с отсечкой тока и получить высокий КПД. Однако в процессе усиления относительный уровень паразитных колебаний, образованный при формировании радиосигнала увеличивается /6/. Кроме этого в усилители мощности (УМ) образуются дополнительные паразитные колебания, которые, как и белый шум, могут занимать широкую полосу частот и создавать помеху.

Усиление радиосигнала с изменяющейся амплитудой требует линейности амплитудной и фазочастотной характеристик УМ. Это ограничивает возможности использования энергетически выгодных режимов работы, требует усложнения схемы УМ.

Для уменьшения отмеченных недостатков наиболее перспективным является формирование радиосигнала на высоком уровне мощности ,причём наиболее эффективной является модуляция непосредственно на выходе передатчика. Однако в этом случае возникают принципиальные трудности, связанные с большой мощностью модулятора. Так, для реализации угловой модуляции требуются управляемые реактивные элементы с большой мощностью рассеяния.

Передатчики цифровых радиолиний могут строиться по схемам с манипуляцией на выходной (УРЧ, СВЧ) частоте и с манипуляцией на промежуточной частоте с последующим переносом спектра в рабочий диапазон.

103

Разные способы модуляции позволяют получить разные скорости передачи при разных отношениях сигнал/шум. Использование обеспечивает более высокую скорость передачи, но требует обеспечения большей величины отношения сигнал/шум. Поэтому такой способ целесообразно применять для пользователей, находящихся вблизи базовой станции. На удалении применяют QPSK и BPSK, позволяющие работать при меньших значениях сигнал/шум, Система автоматически переходит с одного вида модуляции на другой при смене условий передачи (отношения сигнал/шум — S/N). Схематично области применения разных способов модуляции в зависимости от расстояния показаны на рис. 6.4.

Характеристики передатчика цифровой связи и вещания определяются параметрами радиоканала, видом передаваемых сообщений и способам передачи (модуляции). Передатчики характеризуются выходной мощностью, диапазоном рабочих частот, шириной полосы сигнала и его допустимыми искажениями.

Мощность передатчиков цифровых радиорелейных линий связи зависит от протяженности трасы, рабочего диапазона частот, числа передаваемых каналов и вида модуляции.

104

Рис. 6.4. Условные зоны применения способов модуляции

Обычно она лежит в пределах от 0.1 Вт до единиц ватт, в отдельных случаях достигая 10 Вт. Мощность наземных передающих станций космической радиосвязи составляет единицы и десятки киловатт, мощность ретрансляционных станций на спутниках и космических радиостанциях - десятки и сотни ватт (сейчас достигнут уровень в несколько киловатт). Для получения больших мощностей (от десятка ватт и более) используются усилители на ЛБВ и пролетных клистронах. Мощности на уровне долей ватта и единиц ватт вырабатываются в СВЧ диапазоне генераторами на ЛПД, диодах Ганна и усилителями на СВЧ транзисторах.

105

7. МОДУЛЯЦИЯ С РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРОМ

7.1. Псевдослучайные последовательности и псевдослучайные сигналы

Рассмотренные ранее в этой главе способы модуляции характеризуются одним общим свойством – стремлением минимизировать ширину спектра соответствующего радиосигнала. Поэтому эти способы можно назвать узкополосными. Целесообразность построения и использования таких способов модуляции обуславливается тем, что выделяемые полосы радиочастот для систем связи очень ограничены, а любой разработчик стремится в выделенной ему полосе разместить как можно больше частотных каналов. Напротив, модуляция с расширенным спектром приводит к использованию полосы частот, на несколько порядков превышающих ширину спектра при узкополосной модуляции. Конечно, такая система связи будет иметь очень низкую спектральную эффективность, если она будет использоваться одним абонентом. Однако широкополосную модуляцию могут использовать несколько абонентов, и для них может быть выделена одна и та же полоса частот. Способы модуляции с расширенным спектром можно построить таким образом, что при одновременной работе нескольких абонентов в одной и той же полосе частот их взаимное влияние будет незначительным. Число таких абонентов можно увеличивать до некоторого предела, в результате чего оказывается, что спектральная эффективность таких систем оказывается значительно выше эффективности систем с узкополосной модуляцией.

Системы, использующие радиосигналы с расширенным спектром, обладают и другими привлекательными свойствами, которые оказываются очень полезными для систем связи с подвижными абонентами. Например, качество функционирования таких систем практически не снижается при появлении даже относительно мощных узкополосных

106

помех, ширина спектра которых значительно меньше ширины спектра полезного сигнала. Основная причина этого состоит в том, что узкополосная помеха поражает лишь незначительную часть спектра полезного радиосигнала; такую помеху можно подавить соответствующим узкополосным заграждающим фильтром без существенных потерь передаваемой информации.

Важным для систем подвижной связи является также отсутствие необходимости решать проблему распределения частот между различными абонентами, поскольку все абоненты используют одну и ту же полосу частот. Для узкополосных методов модуляции решение задачи частотного планирования обязательно.

Еще одним полезным свойством систем с расширенным спектром радиосигналов является сохранение их работоспособности в условиях многолучевого распространения радиоволн, когда качество передачи в узкополосных системах оказывается практически неприемлемым. Здесь следует подчеркнуть, что большинство каналов передачи в системах подвижной связи являются многолучевыми и, следовательно, для них характерны частотно-селективные замирания, когда суммарная мощность совокупности спектральных компонентов в относительно узкой полосе частот может существенно снижаться. Для узкополосных систем это приводит к существенному снижению мощности принимаемого сигнала, в то время как мощность широкополосного сигнала на входе приемника уменьшается незначительно, так как при передаче она была распространена в широкой полосе. Более того, оказывается, что во временной области разные лучи обычно имеют разную временную задержку, поскольку распространение происходит по разным путям, имеющим разную длину. При использовании сигналов с расширенным спектром такие лучи можно разделить и обеспечить их совместную демодуляцию,

107

что эквивалентно увеличению мощности принимаемого сигнала и, следовательно, повышению качества передачи[13].

Сигналы с расширенным спектром являются псевдослучайными, т.е. имеют свойства, аналогичные свойствам случайного процесса или шумя, хотя формируются по вполне детерминированным алгоритмам. Обычно форма сигнала определяется псевдослучайной последовательностью, которая чаще всего является бинарной с элементами 0 и 1 и обладает свойствами, схожими со свойствами случайно бинарной последовательности. Например, если на любом конечном интервале число нулей примерно равно числу единиц, то автокорреляционная функция такой последовательности близка к автокорреляционной функции случайной бинарной последовательности, в частности имеет малые значения коэффициента корреляции между сдвинутыми друг относительно друга копиями одной и той же последовательности и т.д.

7.2.Формирование псевдослучайных последовательностей

Псевдослучайные последовательности обычно формируются с помощью логических цепочек, реализующих детерминированные алгоритмы. На рис. 7.1 приведен пример такой цепи, которая содержит регистр сдвига из последовательно соединенных элементов с двумя устойчивыми состояниями и некоторую логическую схему в цепи обратной связи. Двоичная последовательность символов 0 и 1, хранящаяся в регистре, смещается вправо по регистру при подаче очередного тактового импульса; символ из последней ячейки регистра выдается на выход в качестве очередного символа последовательности; символы всех или некоторых ячеек регистра подаются в логическую цепь обратной связи, в которой формируется символ обратной связи, передаваемый в первую ячейку регистра.

108

Рис. 7.1. Генератор псевдослучайной последовательности

Период следования тактовых импульсов определяет длительность элементарного символа последовательности. Если логическая цепь обратной связи содержит только элементы типа «исключающее ИЛИ», которые применяются наиболее часто, данное устройство называется генератором линейной псевдослучайной последовательности (ПСП). В этом случае значение очередного символа на выходе цепи обратной связи определяется следующим рекуррентным соотношением

= … , (7.1)

где символ обозначает суммирование по модулю 2, а коэффициенты с и символы а принимают значения 0 или 1. Логическая цепь обратной связи в этом случае представляет собой сумматор по модулю 2.

Начальное состояние ячеек регистра и структура логической цепи обратной связи полностью определяет последующее состояние ячеек регистра. Если принять некоторое состояние регистра сдвига за исходное, то через N тактов это состояние вновь будет иметь место. Если при этом регистрировать последовательность символов на выходе ячейки с номером I, то длина этой последовательности будет равна N. На последующих N тактах эта последовательность вновь повторится и т.д.

109

Число N называется периодом последовательности. Значение N при фиксированной длине m регистра зависит от числа ненулевых весовых коэффициентов с и расположения соответствующих отводов в регистре. Например, из равенства (7.1) следует, что если в какой-то момент времени состояние всех ячеек регистра оказывается равным 0, то все последующие элементы последовательности на выходе регистра будут нулевыми. Существует 2 −1 разных ненулевых состояний регистра сдвига. Следовательно, период линейной ПСП, формируемой регистром сдвига с m ячейками, не может превышать 2 −1 символов. ПСП с периодом 2 −1, формируемые регистром сдвига с линейной обратной связью, называются последовательностями максимальной длины или, более коротко, М-последовательностями.

Устройство, функциональная схема которого представлена на рис. 7.1, можно назвать цифровым автоматом. Если формируемая им последовательность описывается уравнением (7.1), то такие автоматы принято задавать характеристическим многочленом

полностью определяет структуру автомата формирования ПСП: если коэффициент = 0, то это означает, что выход ячейки с номером I к цепи обратной связи не подключен; при