Лекция №10

Тема №4: ПЕРЕДАЧА НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ

ИМПУЛЬСНЫМИ И ЦИФРОВЫМИ МЕТОДАМИ

Тема лекции: ИМПУЛЬСНАЯ ПЕРЕДАЧА НЕПРЕРЫВНЫХ

СООБЩЕНИЙ

Введение

Согласно теореме Котельникова (Найквиста) все непрерывные сообщения, обладающие ограниченным спектром можно представить последовательностью отсчетов, следующих с определенной частотой. Это утверждение служит принципиальной основой функционирования импульсных и цифровых систем (импульсных систем с квантованием по уровню), передающих непрерывные сообщения. Использование импульсной радиотелефонии позволяет осуществлять многоканальную передачу различных речевых сообщений на одной несущей частоте. При этом аппаратура получается проще и меньше по габаритам по сравнению с другими системами многоканальной радиопередачи, например, с использованием модуляции на разных поднесущих частотах.

4.1. Общие сведения о передаче непрерывных сообщений

импульсной модуляции

Импульсными называются системы связи, в которых сигналы представляют собой радиоимпульсы, параметры которых (амплитуда, длительность или время появления) изменяются по закону передаваемого сообщения. Исходя из изменяемого информационного параметра импульсов системы связи различают с амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ) и фазоимпульсной (ФИМ) модуляцией. Упрощенная структура системы радиосвязи с импульсной модуляцией представлена на рисунке.1.

В импульсном модуляторе видеоимпульсы, генерируемые тактовым генератором, модулируются сообщением по амплитуде, длительности или положению (в зависимости от используемого вида импульсной модуляции). В передатчике осуществляется модуляция высокочастотных колебаний полученными видеоимпульсами (обычно применяется либо амплитудная, либо частотная модуляция). Таким образом, общий принцип двухэтапной модуляции можно выразить формулой

A_им(t)=C_(t)A(t) , (1)

где - модулированная аналоговым сигналом последовательность видеоимпульсов, а A(t)=А_осоs(_ot+_o) - модулируемое гармоническое колебание.

Двухэтапная модуляция называется иногда комбинированной и обозначается, например, АИМ-АМ, АИМ-ЧМ и т.п. Так, АИМ-АМ означает амплитудно-импульсную модуляцию видеоимпульсов и амплитудную модуляцию видеоимпульсами гармонического колебания.

На приемной стороне системы радиосвязи демодуляция осуществляется в обратном порядке. При этом работа приемника и импульсного демодулятора управляется импульсным тактовым генератором передающей стороны.

Дискретизация сообщений

В импульсных системах передаваемые параметры импульсов определяются отсчетами сообщения .Процесс преобразования непрерывного сообщения в непрерывнозначную последовательность отсчетов называется дискретизацией. Интервал времени между отсчетами (рис. 2) называется интервалом дискретизации. Дискретизация может быть равномерной или неравномерной. В первом случае и не зависит от номера отсчета, во втором - меняется с течением времени. Величина, обратная интервалу дискретизации есть частота дискретизации .

Принципиальная возможность передачи непрерывного сообщения импульсами основана на теореме отсчетов (второй теореме Котельникова), согласно которой любая функция с частотным спектром, ограниченным верхним значением F_max , полностью определяется последовательностью ее значений в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии .

Таким образом, частота дискретизации равна f_д=2F_max. На практике f_д=(2,32,4)F_max. Для дискретизации речевого сообщения с F_max=3,4 кГц используют f_д=8 кГц.

4.2. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

При АИМ по закону информационного параметра сообщения изменяется амплитуда излучаемых радиоимпульсов. Различают АИМ первого и второго рода (АИМ-1, АИМ-2). В случае формирования АИМ-1 уровень импульсного напряжения в течение длительности импульса следует за модулирующим напряжением, т.е. видеоимпульс на выходе импульсного модулятора не является прямоугольным (рис. 3, б). При АИМ-2 импульсы получаются прямоугольной формы (рис. 3, в), причем значения их амплитуды определяются фиксированным значением модулирующего сообщения в определенные моменты времени (рис. 3, а), например, значением этого сообщения в моменты начала импульсов.

Радиосигнал при АИМ-АМ-1 можно записать в следующем виде:

, (2)

где - прямоугольный импульс с единичной амплитудой и длительностью (рис. 4), расположенный на отрезке времени ; - СКО сообщения; m=_a /A₀ - коэффициент амплитудной модуляции, - СКО сигнала;

Временная диаграмма АИМ-АМ-1 радиосигнала имеет вид:

Недостаток АИМ: Информация заложена в амплитуде, следовательно, нельзя ввести на приемной стороне амплитудный ограничитель для борьбы с импульсными помехами.

4.3. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

При ШИМ в соответствии с сообщением изменяется длительность импульса. Поэтому этот вид модуляции называют еще импульсной модуляцией по длительности (ДИМ).

Различают две разновидности ШИМ: одностороннюю ШИМ (ОШИМ) и двустороннюю ШИМ (ДШИМ). Если в результате модуляции перемещается один фронт импульса, передний или задний, то модуляцию называют ОШИМ. В случае, если фронт и срез импульса перемещаются одновременно в разные стороны – имеет место ДШИМ.

При ШИМ также может осуществляться модуляция первого и второго родов. ШИМ-1 характеризуется тем, что моменты, соответствующие переднему и (или) заднему фронтам каждого импульса определяются значением модулирующего напряжения в эти же самые моменты. При ШИМ-2 эти моменты определяются значением модулирующего напряжения в соответствующей данному импульсу тактовой точке.

При получении ШИМ-1 используют пилообразные импульсы с тактовой частотой. Если подать на вход триггера сумму пилообразного напряжения и модулирующего напряжения, на выходе получаются прямоугольные импульсы, модулированные по длительности. При этом для формирования ОШИМ-1 с перемещающимся задним фронтом на вход необходимо подать пилообразное напряжение с крутым передним фронтом и пологим задним, а для ДШИМ – пилообразное напряжение с пологими передним и задним фронтами.

Радиосигнал при ОШИМ-АМ аналитически может быть записан:

, (3)

где - прямоугольный импульс единичной длины, фронт которого находится в точке , а срез - в точке t = v + t_и(1 + m/_), где - средняя длительность импульса.

Графическое представление радиосигнала ОШИМ-АМ приведено на рис. 6.

Рис. 6

Принцип построения передающих устройств при ШИМ такой же, как и при АИМ.

Достоинства ШИМ: является более совершенным видом модуляции по сравнению с АИМ. Системы с ШИМ имеют наиболее простую бортовую, а также наземную аппаратуру. При ШИМ можно получить лучшие результаты в смысле борьбы с помехами при радиоприеме, так как в отличие от установок с АИМ, можно применять ограничение по амплитуде на приемной стороне канала радиосвязи.

ШИМ практически используется в ряде многоканальных линий импульсной радиосвязи. Кроме того, такая модуляция находит применение в радиолиниях с временной импульсной модуляцией как промежуточный вид модуляции, необходимый для формирования импульсов, модулированных по их временному положению.

Недостаток: при ШИМ информация передается положением переднего и (или) заднего фронтов импульсов сигнала. Фактически в средней части импульса энергия передатчика расходуется впустую. Этот недостаток устраняется при фазоимпульсной модуляции.

4.4. Фазоимпульсная модуляция (ФИМ)

При этом виде модуляции каждый импульсный сигнал по своему положению во времени перемещается от тактовой точки на время, пропорциональное значению сообщения. Причем амплитуда и длительность импульса не меняется. Из-за изменения временного положения импульса ФИМ часто называют временной импульсной модуляцией (ВИМ).

На рис. 7 показано как степень возрастания уровня сигнала осуществляет сдвиг импульсов единичной длины.

Основными видами фазоимпульсной модуляции являются ФИМ-1 и ФИМ-2.

ФИМ-1 называется фазовая импульсная модуляция, при которой временной сдвиг импульса относительно его тактовой точки пропорционален значению модулирующей функции в момент посылки этого импульса.

При ФИМ-2 временное смещение импульса относительно его тактовой точки пропорционально значению модулирующей функции в момент, соответствующий этой тактовой точке.

Иногда различают также одностороннюю и двустороннюю ФИМ. При односторонней ФИМ импульс смещается относительно тактовой точки только в одну сторону, а при двусторонней ФИМ – симметрично в обе стороны.

Один из способов формирования ФИМ основан на преобразовании сигнала ШИМ в сигнал ФИМ посредством использования дифференцирующих схем. ФИМ можно получить и другим способом. Например, сначала осуществить обычную фазовую модуляцию синусоидальных колебаний, а затем подать это колебание на вход триггера. Полученная последовательность импульсов будет модулирована по фазе.

Радиосигнал при односторонней ФИМ-АМ-1 можно записать следующим выражением

, (5)

где rect(t - v,) - прямоугольный импульс единичной амплитудой и длительностью , середина которого расположена в точке t = v + ₀(1 + m/_) , ₀ - среднее смещение радиоимпульса.

Радиосигнал при односторонней ФИМ-АМ показан на рис. 8.

Достоинства ФИМ: системы связи с ФИМ-АМ наиболее помехоустойчивые среди систем с импульсной модуляцией. Широкое применение ФИМ-АМ нашла в многоканальных линиях связи. Здесь сигналы передаются циклами, длительность которых не более интервала дискретизации. Цикл делится на тактовые интервалы, в каждом из которых передаются импульсы определенного канала.

Заключение

Основным недостатком импульсных систем радиосвязи является то, что передаваемым информационным параметром является аналоговый сигнал. Это затрудняет сопряжение каналов связи с цифровыми устройствами. Решение этой проблемы осуществлено в цифровых системах радиосвязи.

Доцент кафедры № 24

подполковник М.Шелковников