3.5.5 Способы модуляции

В спутниковых системах связи используется ИКМ, -модуляция, узкополосная ЧМ.

При частотной модуляциичастота несущего колебания меняется дискретно в зависимости от значения модулирующего сигнала. На практике находит применение не только двоичная ЧМ, но так же 4-х (Рис.3.51) и 8-уровневая ЧМ. При использовании многоуровневой ЧМ исходная двоичная последовательность разбивается на соответствующее число бит (дибит, трибит и т.д.) для определения одной из возможных частот несущей, передаваемой в данный момент.

Рис. 3.52 Четырехуровневая частотная модуляция.

Два основных метода преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовую (ИКМ) и дельта-модуляцию (ДМ), которые традиционно относят к видам модуляции, хотя таковыми они, по сути, не являются, поскольку не связаны, как это характерно для всех остальных видов модуляции, с изменениями параметров несущей частоты.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - наиболее общий метод кодирования источника. При ИКМ не важна степень корреляции между отсчетами. С помощью ИКМ можно кодировать любой аналоговый сигнал с ограниченной шириной спектра. Единственное условие - частота дискретизации должна удовлетворять условию теоремы Котельникова.

• ИКМ характеризуется малой задержкой в процессе кодирования-декодирования, которая не превышает одного периода выборки.

• ИКМ кодеры и декодеры наиболее просты в реализации.

Основной недостаток ИКМ кодирования - невысокая эффективность с точки зрения сжатия сигнала, возможности снижения скорости при ИКМ ограничены.

Дельта модуляция представляет собой частный случай ДИКМ при использовании одноразрядного квантователя (R=1). Дельта-модуляцию широко применяют благодаря ее простоте.

При ДМ по каналу связи передают квантованное значение разницы между текущим значением отсчета и его предсказанием, причем квантование проводят всего по двум уровням:

,

где d - шаг увеличения или уменьшения d(n).

Таким образом, ДМ не обладает каким-либо преимуществом в скорости перед ДИКМ. Однако построение ДМ кодера и декодера существенно проще. Именно этим объясняется широкое распространение ДМ.

Сигналы наземных станций поступают на вход ретранслятора в различные моменты. Спутник в соответствии с существующей в системе шкалой времени формирует из поступающих сигналов многостанционный групповой сигнал - так называемый суперкадр - и ретранслирует его на Землю (рис. 12).

По методу ВМД/ВРК (ВМД при временном разделении каналов) сигнал каждой станции представляет собой группу импульсов, составленную из импульсов отдельных каналов. Положение каждого канала однозначно определяется синхрословом, передаваемым в начале кадра. В сформированном спутником суперкадре групповые сигналы каждой наземной станции разделяются благодаря временной.“привязке” кадров к синхросигналу, находящемуся в начале суперкадра.

3.5.6 Многостанционный доступ (мд).

Наиболее серьезной проблемой для спутниковой системы является проблема многостанционного доступа.

Сущность его состоит в том, что каждая наземная станция имеет возможность пользоваться ретранслятором для передачи своих сигналов независимо от работы другой станции и устанавливать связь через спутник с любой наземной станцией данной системы. Это придает всей системе гибкость в работе, однако накладывает на ретранслятор ряд дополнительных функций.

Многостанционный доступ можно организовать так, что между каждой парой станций будет закреплена линия. Возможен, однако, и многостанционный доступ по требованию, когда связь организуется в порядке очереди при наличии свободной линии.

Так как принципиально сигналы можно различать по частоте, по времени, в пространстве, а также по форме при использовании кодированных сигналов можно организовать четыре вида доступа: частотный многостанционный доступ (ЧМД), временной многостанционный доступ (ВМД), пространственный многостанционный доступ (ПМД), кодовый многостанционный доступ (КМД). В основе этих видов доступа лежат соответствующие принципы разделения сигналов.

Различают следующие виды многостанционного доступа:

1) пространственный МД (ПМД).

Состоит в разделении пространства на области с помощью антенн с узкими диаграммами направленности путем совместного использования частот (при разделении по поляризации). Его использование предоставляет для спутниковых систем дополнительные возможности. Гибкость системы обеспечивается ценой усложнения бортовой аппаратуры и увеличения массы.

2) частотный МД (ЧМД)-наиболее распространенный.

Состоит в том, что для каждой станции выделяется своя несущая частота. Позволяет использовать один бортовой ретранслятор для многих ЗС; пропускная способность ограничивается суммарным уровнем перекрестных шумов. Когда нелинейный усилитель усиливает сигналы на нескольких несущих, возникают перекрестные помехи, которые увеличивают общий уровень шума. Для понижения шума уменьшают мощность на входе усилителя ретранслятора, но при этом понижается уровень сигнала несущей частоты на приемном конце линии, из-за чего увеличивается влияние тепловых шумов приемника ЗС. Таким образом, уменьшение входной мощности усилителя-ретранслятора должно быть до некоторой оптимальной величины, но и при оптимизации это приводит к уменьшению мощности ретранслятора на 6 дБ по сравнению со случаем, когда вся информация передается на одной несущей. Метод эффективен, если величина мощности не ограничена.

ЧМД можно реализовать двумя способами:

а) каждая несущая уплотняется множеством каналов, как это делается в наземных системах связи;

б) в бортовой аппаратуре для каждого канала (канала тональной частоты) используется своя несущая частота.

В случае многих несущих усложняется проблема перекрестных помех. С другой стороны их уровень асимптотически приближается к некоторому предельному значению. Один канал на несущую (ОКН) подходит для систем, где много линий, в каждой из которых есть лишь несколько одновременно обслуживаемых каналов. Обычное уплотнение удобно для земной аппаратуры, но экономически оправдано, когда на каждой несущей передается групповой сигнал из 12 и более каналов. (Используются оба способа ЧМД).

Вид модуляции:ИКМ,-модуляция, узкополосная ЧМ осуществляется на базе компромиссных решений.

3) временной МД.

Используется при передаче больших потоков информации. Его идея заключается в том, что каждая наземная станция, использующая ретранслятор спутника, имеет закрепленный за ней временной канал - периодически повторяющийся интервал времени. Сигналы наземных станций поступают на вход ретранслятора в различные моменты. Спутник в соответствии с существующей в системе шкалой времени формирует из поступающих сигналов многостанционный групповой сигнал - так называемый суперкадр - и ретранслирует его на Землю (рис. 3.53).

Рис. 3.53

Каждой ЗС выделяется определенный временной интервал для передачи, и все ЗС работают с данным ретранслятором ИСЗ на одной и той же несущей. Не возникают перекрестные шумы, и повышается пропускная способность системы, но требует значительного усложнения земного оборудования. ВМД более эффективны, чем ЧМД.

Спутниковая система с ВМД исключительно гибкой с точки зрения сочетания различного типа пользователей. Эта система удовлетворяет требованию, чтобы сигналы спутниковой системы без преобразования передавались по наземным линиям и распределялись по оконечным устройствам потребителей, к которым относятся телетайпы, дисплеи, компьютеры, факсимильные аппараты.

ВМД легко сочетается с ПМД, так как достаточно переключать пакеты с одного с антенного луча на другой, в соответствии с их пунктом назначения, но возрастает сложность аппаратуры. ВМД с коммутацией на спутнике обеспечивает увеличение пропускной способности на 30%, по сравнению с ЧМД. В системе КС/ВМД есть один ствол шириной 400 МГц, в отличие от ЧМД, где используются 5 стволов по 80 МГц.

Бортовая коммутация с временным разделением производится в течение наносекунд, чтобы последовательные пакеты успевали переключаться на разные узконаправленные лучи.

4) кодовый МД.

Состоит в том, что передаваемая с каждой ЗС информация кодируется с применением псевдослучайных последовательностей, чтобы передача заняла всю ширину полосы ретранслятора. ЗС, для которой предназначена информация, имеет образец псевдослучайных последовательностей и с помощью коррелятора может выделить сигнал из шума, возникающего вследствие одновременной работы многих ЗС.

Преимущества для военных систем, так как расширение спектра используется для повышения помехоустойчивости к организованным помехам, а псевдослучайные шумовые последовательности увеличивают стойкость засекречивания. Хуже используются мощность и частотный спектр, чем при МДЧУ, не говоря уже о МДВУ. Он требует дополнительного оборудования.