Радиотехнические системы передачи информации.
Радиотехнические системы передачи информации (сообщения) предназначены для передачи информации на расстояния с помощью электромагнитных колебаний. К ним относятся различные системы связи, радиовещания, телевидения.Характерным для радиотехнических систем любого назначения (связных, телеметрических, вещательных, телевизионных, командных и т.д.) является пространственное разрешение радиопередающего и радиоприемного устройств.
Основной частью радиотехнических систем является радиоканал. Радиоканал включает в себя радиопередающее и радиоприемное устройство и линию связи. Устройство , преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, - приемным.
Важной чачстью радиоканала является линия связи, которая оказывает существенное влияние на достоверность принимаемого сообщения. Линией связи называется физическая среда (свободное пространство, волноводы, кабели, волоконнооптические линии и пр.) и совокупность аппаратных средств, используемыхдля передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах радиосвязи линией связи является область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.
Обобщенная структурная схема радиоканала показана на рис.1. Отметим, что составными частями радиотехнической системы являются также антенно-фидерные, электронно-вычислительные и другие устройства.
Рис.1. Обобщенная структурная схема радиоканала.
Функционирование радиотехнических систем передачи информации основано на свободном распространении электромагнитных колебаний, которые излучаются в окружающее пространство передающими антеннами. К передающим антеннам от радиопередатчика подводится колебание высокой (несущей) частоты, один из параметров которых изменяется (промодулирован) по закону передаваемого сообщения. Распространяясь в определенных направлениях, радиоволны достигают приемной антенны, в которой под их воздействием наводятся токи высокой частоты передаваемой информации.
Аналоговые системы связи. Одним из важных звеньев любой системы связи является источник сообщения, подлежащего передаче. В общем случае исходное сообщение не является электрическим, и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал с помощью электрофизического преобразователя сигнала (ЭФПС), проще преобразователя сигнала. Так, например, при передаче речи и музыки такое преобразование осуществляется микрофоном, при передаче изображения – передающими телевизионными трубками, в телеграфии – с помощью телеграфного аппарата последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0,1 или точка, тире), которая одновременно преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока, при передаче информации о каких либо неэлектрических процессах или величинах – специальными датчиками. В последнее время в структурных схемах радиоканала источник сообщения и преобразователь сигнала объединяют в одно звено, называемое источником первичных сообщений.
Передающее устройство включает в себя, кроме преобразователя сигнала, передатчик ( содержащий модулятор, генератор несущей частоты, усилитель мощности) и передающую антенну. Для передачи сообщения сигнал необходимо ввести в несущее высокочастотное электромагнитное колебание. Это осуществляется в модуляторе передатчика. Несущее колебание вырабатывается генератором несущей частоты.
Процесс, в результате которой один или несколько параметров несущего колебания изменяется по закону передаваемого сообщения, называется модуляцией. Модулированное высокочастотное колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом.
При передаче сообщения по радиоканалу используют несколько видов модуляции: амплитудную, частотную, фазовую, импульсную, импульсно-кодовую и др. Амплитудная модуляция является наиболее простым и распространенным способом введения передаваемого сообщения (модулирующего сигнала) в высокочастотное несущее колебание. При амплитудной модуляции по закону передаваемого сообщения изменяется только амплитуда несущего колебания при неизменных остальных его параметрах.
Следует заметить, что и природа использует принцип модуляции при издании звука человеком. Голосовыми связками возбуждаются звуки относительно высоких частот (несущее), которые модулируются мускулами губ и полости рта (модулирующий сигнал), делающими не более 10 движений в 1 с. Строение рта таково, что он не может мускулами губ непосредственно издавать звуковые колебания с частотами выше 10 Гц.
Передача и прием модулированных электромагнитных колебаний (радиосигналов) осуществляется с помощью антенн.
Высокочастотные радиосигналы, улавливаемых приемной антенной, поступают в приемник. Приемная антенна улавливает очень малую долю энергии, излученную передающей антенной, поэтому принятые модулированнные колебания подаются предварительно на избирательный усилитель, который помимо усиления выделяет полезный радиосигнал из совокупности многих радиосигналов и помех, одновременно поступающих на приемную антенну.
Усиление радиосигналов осуществляется и в последующих каскадах приемника. При этом непосредственное усиление сигнала используется крайне редко. Дело в том, что при переходе на прием другой станции требуется перестраивать избирательный усилитель, сохраняя высокую частотную селекцию или избирательность, т.е. выделять полезный сигнал из других сигналов и помех. Это сама по себе нелегкая проблема становится чрезвычайно сложной, когда требуется большое усиление и, следовательно, применения нескольких усилительных каскадов. Задача существенно упрощается, если в приемнике используется преобразователь, в котором разные несущие частоты сигналов, поступающих на вход его смесителя, преобразуется (точнее, переносятся, транспонируется) с помощью вспомогательного генератора (гетеродина) в сигналы с одинаковой, более низкой несущей частотой fпч, называемой промежуточной.. Тогда дальнейшее усиление информационных сигналов будет происходить на одной частоте без перестройки схем в усилителе промежуточной частоты (УПЧ)., который производит основное усиление в приемнике и улучшает селекцию по частоте полезного сигнала. Такой приемник называется супергетеродинным.
Детектор (от лат. detectio – обнаруживать, выделять) или демодулятор осуществляет процесс, обратный модуляции – выделяет из принятого, усиленного и преобразованного высокочастотного модулированного колебания передаваемый сигнал. Задача демодуляции – по возможности полное восстановление информации, содержащийся в модулирующем сигнале. Поэтому основное требование к детектору – точное воспроизведение формы передаваемого сигнала, чтобы он поступал к получателю неискаженным.
Оконечное устройство приемника преобразует низкочастотный электрический сигнал детектора в форму информации, удобную для получателя. В настоящее время источник первичных сообщений и оконечное устройство в структурную схему системы радиосвязи не включают.
Цифровые (дискретные) системы связи. В цифровых (дискретных, импульсных) системах передачи энергия сигнала излучается не непрерывно (как при гармоническом переносчике), а в виде коротких радиоимпульсов. Это позволяет при той же общей энергии излучения, что и при непрерывном переносчике, увеличить пиковую (максимальную) мощность в соответствующем импульсе и тем самым повысить помехоустойчивость приема. В качестве переносчика первичного сигнала e(t) в импульсных системах связи используют периодическую последовательность видео- и радиоимпульсов.
Рассмотрим
обобщенную структурную схему современного
радиоканала цифровой системы связи, на
которой для наглядности и понимания
изображены упрощенные эпюры сигналов
в ряде ее специфических точек (рис.1.8).
Рис.1.8. Структурная схема радиоканала цифровой системы связи.
Непрерывные сообщения можно передавать по цифровым системам связи. Для этого их преобразуют в цифровую форму с помощью операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования. Под кодированием понимают операцию преобразования дискретных сообщений в последовательность кодовых символов (например, двоичных чисел).
В предающем устройстве цифровой системы радиосвязи кодирование передаваемого сигнала выполняется цифровой микросхемой, называемой кодером. На выходе кодера передаваемый первичный сигнал имеет вид цифрового кода – некую последовательность импульсов («единиц») и пауз («нулей»), обычно имеющих одинаковую длительность.
В модуляторе передатчика несущее колебание модулируется полученной в кодере импульсной последовательностью. Чаще всего в цифровых системах связи применяется так называемая импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). В случае применения ИКМ дискретные значения непрерывного сигнала передаются в виде кодовых комбинаций. При использовании двоичного представления, кодовая комбинация может выражать целое число, равное соответствующему уровню непрерывного сигнала в момент его дискретного отсчета.
Итак, в цифровой системе передачи информации превращение сообщения в радиосигнал осуществляется тремя операциями: преобразованием, кодированием и модуляцией ( в аналоговом двумя – преобразованием и модуляцией). Отметим, что кодирование определяет математическую сторону, а модуляция –физическую сторону превращения сообщения в сигнал. По существу кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов, а модуляция – преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по цифровому каналу. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом связи.
В приемнике после усиления на радиочастоте, из сигнала промежуточной частоты (принятого вторичного сигнала) с помощью демодулятора извлекается последовательность кодовых символов (первичный сигнал). Затем производится декодирование этих символов в декодере. Декодирование состоит в восстановлении сообщения по принимаемым кодовым символам. С выхода декодера восстановленный аналоговый сигнал поступает к получателю сообщений.
В современных цифровых системах передачи информации используются две группы относительно самостоятельных, совмещенных в отдельные микросхемы, аналого-цифровых устройств – кодеки и модемы. Кодеком называется пара преобразователей кодер-декодер (как правило, это логические устройства), а модемом – пара преобразователей модулятор-демодулятор.
Модемы выполняют определенный набор различных функций и в зависимости от принципов их реализации разделяются на проводные или телефонные модемы, сотовые модемы, пакетные радиомодемы, связные высокочастотные радиомодемы, цифровые модемы, факс-модемы и пр. Проводные модемы включаются в системах связи между телефонной сетью общего пользования и управляющим компъютером. На рис. 1.9 приведена упрощенная структурная схема одного из типов проводных модемов. Подобный модем может работать в дуплексном режиме, если применена четырехпроводная линия связи, или полудуплексном режиме, если используется двухпроводная линия телефонной связи.
В режиме приема данных с линии связи в модеме с помощью корректора устраняются искажения передаваемых сигналов, возникающих чаще всего в результате ограниченной полосы пропускания телефонного канала и неравномерности амплитудно-частотной и нелинейности фазо-частотной характеристик. С выхода корректора сигнал подается на детектор (демодулятор),преобразующий модулированное колебание в напряжение, форма которого воспроизводит низкочастотный передаваемый сигнал аналогового или цифрового вида. В схему модема входит также блок управления. Практически по такой же структурной схеме выполняется связной высокочастотный радиомодем, использующийся в радиоканале системы связи небольшого (менее 1 км) радиуса действия.
Рис.1.9. Структурная схема проводного модема.
Отметим существенное различие между аналоговыми и дискретными системами связи (или радиоканалами). В аналоговых системах любое, даже сколь угодно малое мешающее воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей погрешности в передаваемое сообщение. Поэтому абсолютно точное восстановление переданного сообщения в них практически невозможно. В дискретных системах ошибка при передаче сообщений возникает лишь тогда, когда сигнал опознается неправильно, а это возможно только при искажениях, превышающий некоторый оптимальный порог.