Системы и сети связи

(Телекоммуникационные системы и сети).

2. Нелинейный вариант построения демодулятора

Принцип принятия решения РУ указан на рис.1.

Обратите внимания: не согласованный фильтр (СФ), а ПФ.

ПФ – потому что канал один. Первичная фильтрация от помех осуществляется для двух радиоимпульсов с разными частотами – спектры двух радиоимпульсов с разными частотами должны проходить через этот ПФ, следовательно, полоса пропускания этого фильтра будет гораздо шире, чем у соответствующих согласованных фильтрах в линейных демодуляторах.

Ограничитель – для снятия паразитной амплитудной модуляции, вызванной воздействием помех – нелинейный элемент.

ЧД – также нелинейный элемент.

Вторая фильтрация помех осуществляется в ФНЧ.

Эта схема хуже по помехоустойчивости,

чуть проще, поскольку один канал,

хуже по надёжности.

В целом модем с частотной манипуляцией сигналов по помехоустойчивости выше, чем модем с амплитудной манипуляцией сигналов, но и требует более широкой полосы частот для модема.

3. Модем с фазовой манипуляцией сигналов (ФМ)

Исходя из удобства демодуляции φ₁ принимают совпадающую с фазой несущей, т.е. условно можно считать, что φ₁ = 0

φ₂ отличается на π от фазы несущей: φ₂ = π.

Т.е. при абсолютной фазовой манипуляции используем радиоимпульсы с фазой отличающейся на π радиан, т.е. используем два противоположных сигнала. С точки зрения помехоустойчивости это сигналы оптимальные – обеспечивают наибольший уровень помехоустойчивости, т.е. наименьшую вероятность ошибочного приёма при поэлементной передаче и приёме.

Упрощённая функциональная схема фазового демодулятора

ФД – фазовый дискриминатор

ФНЧ – фильтр низких частот

РУ – решающее устройство

ССмвС – селектор символьного синхросигнала

ГОС – генератор опорного сигнала

Не трудно заметить, что если S_ос(t) совпадает с сигналом несущим (3), то в этом случае РУ принимает решение по принципу указанному на рис.2.

Естественно, что опорный сигнал должен совпадать со спектральной компонентой несущего сигнала с точностью до фазы и с учётом воздействия эффекта Доплера.

Характеристики спектральной компоненты несущего сигнала изменяются в результате воздействия эффекта Доплера: меняется частота и фаза.

ФД по существу умножитель.

Работает следующим образом: сигнал на выходе ФД пропорционален разности фаз радиосигнала принятого на вход ФД и опорного сигнала.

При такой схеме модема возможна одна большая неприятность.

На схеме (рис.2) изображён генератор опорного сигнала – на самом деле генератор опорного сигнала представляет собой схему селекции спектральной компоненты несущего сигнала из спектра принятого радиосигнала.

В силу ряда причин, о которых будем говорить позже, схема селекции не может быть идеальной. Для того чтобы из широкого спектра выделить одну компоненту, схема селекции должна представлять собой узкополосный фильтр, частотная характеристика которого представляет собой по существу дельта-функция. А поскольку спектральная компонента несущего сигнала меняется под воздействием эффекта Доплера, то такой фильтр должен быть и следящим. Построить такой идеальный следящий узкополосный фильтр не представляется возможным.

А реальные фильтры естественно пропускают часть помех, под воздействием которых возможна ошибка. Прежде всего ошибка в фазе выделяемого сигнала.

Самый неприятный момент, когда под воздействием помех фаза выделяемой спектральной компоненты несущей частоты изменяется на π радиан.

Что происходит, если фаза опорного сигнала изменится на π радиан?

Вместо "1" будут воспроизводиться "0" – с момент изменения фазы опорного сигнала под воздействием помех на π радиан возникает явление негатива или явление обратной работы.

Поскольку момент, когда происходит эта ошибка случаен, то вся оставшаяся часть передаваемых сведений будет воспроизводиться с ошибкой.

Чтобы избавиться от этого неприятного явления фазовый манипулятор несколько изменяют. Переходят от такого вида, который называют абсолютной фазовой манипуляцией, когда фаза радиоимпульса меняется в зависимости от передаваемого символа по отношения к фазе несущего сигнала, к относительной фазовой манипуляции (ОФМ).

При ОМФ фаза радиоимпульса, передающего тот или иной символ, изменяется не по отношению к фазе несущего сигнала, а по отношению к фазе предшествующего радиоимпульса. Если следующий передаваемый символ "1", то фаза радиоимпульса передающего этот символ, не меняется по отношению к фазе предшествующего радиоимпульса – изменение фазы равно 0 радиан. Если следующий символ "0", то фаза следующего радиоимпульса изменяется по отношения к фазе предшествующего радиоимпульса на π радиан. Таким образом, при использовании ОФМ, как в модуляторе, так и в демодуляторе должны быть элементы памяти, запоминающие фазу предшествующего радиоимпульса.

На вход модулятора, в зависимости от типа телекоммуникационной системы, поступает либо групповой избыточный цифровой сигнал, либо избыточный сигнал цифровой, представляющий один из первичных сигналов. На фазовый манипулятор поступает несущий сигнал и на фазовый манипулятор в качестве опорного сигнала поступает информация о фазе предшествующего импульса, т.е. есть какая-то ячейка памяти (ЯП), которая запоминает предшествующий импульс S_{i- 1} (t),а на выходе формируется S_i(t). Фаза i- го радиоимпульса зависит от того какой символ поступает на вход ФМ и какая фаза предшествующего радиоимпульса.

Аналогично в демодуляторе. На вход поступает оценка i- го радиоимпульса. Есть фазовый дискриминатор (ФД). И опять же есть ячейка памяти (ЯП), которая запоминает фазу предшествующего радиоимпульса. Далее как в обычной схеме: фильтр нижних частот (ФНЧ), решающее устройство (РУ), селектор символьного синхросигнала (ССмвС). Ячейка памяти должна запоминать фазу высокочастотного радиоимпульса.

Какое устройство/элемент может запомнить фазу ВЧ радиоимпульса?

Фазу радиоимпульса можно запомнить с помощью высокодобротного резонансного контура, настроенного на частоту этого радиоимпульса. Это сложно, а практически не возможно сделать на высокой частоте. Потому что высокодобротный контур построить на высокой частоте это крайне сложно и практически не возможно. И, во-вторых потому, что частота радиоимпульса сама по себе меняется под воздействием эффекта Доплера. Следовательно этот резонансный контур должен был бы быть перестраиваемым, подстраиваемым под частоту принимаемого радиоимпульса.

Поэтому только на очень низких частотах возможна схема модема с ОФМ изображённая на рисунке 4.

В реальной жизни поступают немного иначе. Эффект относительной фазовой манипуляции состоит по-другому. Путём предварительного перекодирования символов передаваемого цифрового сигнала.

Функциональная схема такого модулятора и демодулятора выглядит следующим образом:

			Демодулятор

Цифровой сигнал поступает в сумматор по модулю два, в котором осуществляется перекодирования. На второй вход сумматора поступает предшествующий символ. Ячейка памяти теперь уже для видеосигнала – для предшествующего символа. Если последующий символ обозначим x_i, предшествующий символ обозначим x_{i- 1}, то происходит такое преобразование. Далее перекодированный таким образом сигнал поступает на вход обыкновенного фазового манипулятора, на второй вход которого естественно поступает несущий сигнал. И на выходе ФМ получается сигнал с относительной фазовой манипуляцией.

Приёмная часть модема выглядит следующим образом:

Сигнал поступает на фазовый дискриминатор (ФД). Опорный сигнал как и обыкновенном фазовом демодуляторе – селектор синхросигнала несущей частоты (ССНЧ). Фильтр нижних частот (ФНЧ). Решающее устройство (РУ). Селектор символьного синхросигнала (ССмвС).

С выхода РУ сигнал поступает на перекодирующее устройство. Сумматор по модулю два, ячейка памяти (ЯП). На сумматор от РУ поступает x^*_i закодированное. В результате получаем демодулированный сигнал. Эта схема позволяет уйти от необходимости запоминания фазы радиоимпульса. Здесь в качестве ячейки памяти может использоваться триггер.

Использование ОФМ позволяет избавиться от эффекта обратной работы. Не трудно видеть, что если в этой схеме фаза опорного сигнала в демодуляторе измениться на π радиан, то в результате этой ошибки возникнет ошибка максимум двух символов:

Если перескок фазы осуществится в течение длительности символа, то произойдёт искажение только одного символа.

Если перескок фазы осуществится на границе, то возникнет ошибка воспроизведения двух символов.

Модем с ОФМ является наиболее высокопомехоустойчивым. Но платой за помехоустойчивость является существенное расширение полосы частот. Во многих современных телекоммуникационных системах приходится искать компромисс между помехоустойчивостью и занимаемой полосой частот. Поэтому вынуждены переходить к вариантам полососберегающим модемам или частотносберегающим модемам.

В качестве таких полососберегающих модемов используются модемы с фазовой модуляцией, но с несколькими дискретами изменения фазы (иногда её называют многоступенчатой фазовой манипуляцией). В обыкновенной фазовой манипуляции имеется два значения фазы – каждое значение фазы соответствует одному символу. Представим, что диапазон изменения фазы от 0 до 2 π радиан мы разобьём на 4 дискрета: 0, π/2, 3π/2, 2π.

По существу имеем 4 несовпадающих дискретах фазы. Можем передать с помощью 4-х несовпадающих дискретах фазы следующие кодовые комбинации:

Т.е. при передаче радиоимпульс соответствует не одному символу, а комбинации символов.

Безусловно, поскольку степень ортогональности используемых сигналов уменьшается, помехоустойчивость теряется, но зато существенен выигрыш в полосе частот.

Иногда используют 8 дискретов фазы.

Устройства синхронизации

В современных цифровых телекоммуникационных системах используют 4 группы устройств синхронизации. Говорят что подсистема синхронизации состоит из 4-х групп устройств:

1. Устройства синхронизации по спектральной компоненте несущей частоты

В передающей части системы спектральная компонента несущей частоты не добавляется специально или отдельно к передаваемому радиосигналу. Спектральная компонента несущей частоты либо содержится в спектре радиосигнала в результате модуляции, либо может быть воспроизведена (восстановлена) в спектре сигнала путём соответствующего преобразования радиосигнала.

Спектральная компонента несущей частоты используется в демодуляторе в качестве опорного сигнала и выделяется из спектра принятого сигнала с помощью следящего сверхузкополосного фильтра. В качестве такого следящего сверхузкополосного фильтра для выделения спектральной компоненты несущего сигнала используют устройство, которое называют устройством фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)

Упрощённая функциональная схема ФАПЧ

УГ генерирует гармонический сигнал с частотой близкой к предполагаемой частоте спектральной компоненты несущего сигнала. Близкой потому что не известно какова на самом деле будет эта частота – известно её первоначальное значение, но как её изменит эффект Доплера никому не известно. При этом под воздействием УУ частота и фаза сигнала с УГ может изменяться в пределах предполагаемого диапазона изменений частоты спектральной фазы, спектральной компоненты несущего сигнала под влиянием эффекта Доплера. При этом частота сигнала генерируемого УГ может изменяться в пределах предполагаемого изменения частоты и фазы спектральной компоненты несущего сигнала под воздействием эффекта Доплера. Сигнал, генерируемый УГ, поступает на ФД, на второй вход которого поступает радиосигнал. Если в спектре радиосигнала содержится спектральная компонента несущего сигнала достаточной интенсивности (мощности), то на выходе ФД формируется сигнал, уровень которого зависит от различия частоты и фазы спектральной компоненты принятого радиосигнала по отношению к частоте и фазе сигнала генерируемого УГ. Этот сигнал, отфильтрованный в ФНЧ, через УУ воздействует на УГ таким образом, чтобы приблизить частоту и фазу сигнала УГ к частоте и фазе спектральной компоненты принятого радиосигнала. Т.е. схема стремится к совпадения частоты и фазы сигнала УГ и спектральной компоненты несущего сигнала. Т.е. такая система ФАПЧ является по существу следящим фильтром, всё время отслеживающим изменения частоты и фазы несущего сигнала. Однако, в жизни часто встречается ситуация когда в спектре принятого радиосигнала интенсивность спектральной компоненты несущего сигнала невысока. Если изменение фазы, скажем при фазовой манипуляции осуществляется на π радиан и если частота следования символов "1" и "0" одинакова, т.е. они равновероятны, то в этом случае в спектре принимаемого радиосигнала спектральная компонента несущей частоты будет небольшой интенсивности. В этом случае с высокой вероятностью возможна ситуация, что говорят "ФАПЧ зацепится"(выделит) не за несущую частоту, а за ближайшие спектральные компоненты большей интенсивности.

Чтобы этого не произошло, до устройства ФАПЧ производят преобразования, позволяющие увеличить интенсивность спектральной компоненты несущей частоты. Для этого нужно – как говорят "снять фазовую манипуляцию". Казалось бы проблема зацикливается: для того чтобы демодулировать, а демодулировать тоже означает снять фазовую манипуляцию нужно первоначально снять фазовую манипуляцию. Но это не совсем так. Есть радиосигнал, который представляет собой последовательность радиоимпульсов, фаза которых меняется на π радиан.

φ_х меняется на π радиан – либо 0, либо π радиан. Для того чтобы снять фазовую манипуляцию, не осуществляя демодуляцию, достаточно этот сигнал возвести в квадрат:

φ_х было либо 0, либо π радиан – либо 0, либо 2 π, что одно и то же. Т.е. таким образом избавляются от фазовой манипуляции. Но при этом перешли с несущей частоты на удвоенную несущую частоту. УГ настраивают не на несущую частоту, а на удвоенную несущую, а частоту полученного сигнала нужно разделить на два. В этом случае схема селекции спектральной компоненты несущей частоты будет выглядеть следующим образом:

При работе этой схемы возникают две взаимопротиволожные проблемы: проблема помехоустойчивости и проблема динамичности. Точность селекции спектральной компоненты несущей частоты будет определяться полосой пропускания следящего фильтра (ФАПЧ) – чем уже полоса пропускания, тем меньше помех пройдёт и меньше ошибка будет в выделении спектральной компоненты несущей частоты. Но с другой стороны чем более узкополосный фильтр, тем он более инерционен. И если под воздействием эффекта Доплера спектральная компонента несущей частоты будет изменяться быстро, т.е. взаимное перемещение передатчика и приёмника будет осуществляться с большой скоростью, то этот следящий фильтр потеряет спектральную компоненту несущей частоты. С одной стороны нужен узкополосный фильтр, чтобы было меньше помех и точнее выделять, а с другой стороны чтобы успевать за изменениями спектральной компоненты несущей частоты.

1^ч 10^м 07^с

Чтобы разрешить этот конфликт схему селекции спектральной компоненты несущей частоты усложняют. Т.е. система ФАПЧ усложняется. Говорят "увеличивают степень астотизма" чтобы и динамика была хорошей и шумовая ошибка была небольшой.

2. Устройства синхронизации символьной (тактовой)

Символьная синхронизация формирует в передающей части системы сигнал, соответствующий границам символов с учётом воздействия эффекта Доплера. Этот сигнал используется прежде всего в регенераторе символов (РС) демодулятора несущего сигнала (ДН) для того, чтобы правильно воспроизводить символы, чтобы правильно принимать решения по содержанию символов. Также как спектральная компонента несущей частоты сигнал символьной (тактовой) синхронизации специально не добавляется в передаваемый радиосигнал. Он генерируется в передающей части системы для того, чтобы определить границы символов формируемых в передающей части системы. Но как дополнительный сигнал синхронизации в передаваемый радиосигнал не включается. Сигнал тактовой (символьной) синхронизации селектируется (выделяется) непосредственно из спектра сигнала огибающей или из спектра сигнала преобразованного в сигнал огибающей.

Сигнал огибающей формируется в демодуляторе несущего сигнала (ДН), который состоит обычно из демодулятора огибающей (ДО) и регенератора символов (РС). На выходе ДО формируется сигнал огибающей. Из спектра сигнала огибающей может селектироваться сигнал символьной синхронизации.

Нередко в реальной ситуации возможно, что в спектре сигнала огибающей спектральная компонента с частотой следования символов малоинтенсивна. Поскольку сигнал огибающей это последовательность положительных и отрицательных импульсов, формы близкой к прямоугольной, то если они равновероятны, т.е. следуют примерно с одинаковой частотой, спектральная компонента с частотой следования символов будет малоинтерсивной. И поэтому приходится предварительно преобразовывать сигнал огибающей чтобы спектральная компонента с частотой следования символов была более интенсивна, а потом для селекции использовать опять же устройство ФАПЧ, но настроенное на частоту следования символов.

Дата добавления: 2014-01-14