3305 Командная радиолиния КИМ-ЧИМ-ФМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1.  Изучение структуры сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ.

  1. Изучение принципов построения радиолинии КИМ-ЧИМ-ФМ.
  2. Изучение влияния шума на работу радиолинии.
    1. Изучение работы системы синхронизации.

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

  1. Вводные замечания

 

Необходимость достоверного приема цифровой информации при больших дальностях и жестких ограничениях на габаритные размеры, массу и потребляемую мощность в значительной мере определяет структуру радиолинии. Приемный тракт должен проектироваться таким образом, чтобы в нем отсутствовал эффект подавления сигнала шумом. Это достигается, если на входе нелинейных элементов (детекторов) обеспечивается большое отношение сигнал/шум.

В реальных радиолиниях такое условие достаточно просто достигается при импульсных методах модуляции сигнала, например при ВИМ-АМ. Однако такие радиолинии не нашли широкого применения, т.к. возникают трудности при проектировании бортовых передатчиков с большой пиковой мощностью, необходимых при организации радиолинии большой протяженности. Кроме того, импульсных режим затрудняет совмещение линий передачи информации с траекторными измерениями, т.к. он мало пригоден для точного измерения скорости по доплеровскому сдвигу частот. Поэтому широкое применение находят непрерывные сигналы. Как правило, для их модуляции используют фазовые (или синхронные) детекторы.

При передаче цифровой информации на первой ступени чаще всего используется кодо-импульсная модуляция (КИМ). В сигналах с двумя ступенями модуляции (КИМ-ФМ, КИМ-АМ, КИМ-ЧМ) сигнал КИМ (т.е. последовательность символов) непосредственно модулирует несущую.  Непосредственная модуляция несущей позволяет более экономно использовать полосу частот, отведенную для радиолинии. Такие сигналы более пригодны для высоких скоростей передачи информации (мегабиты/с), что характерно для радиолиний сравнительно малой дальности (до тысяч км).

В сигналах с трехступенчатыми видами модуляции (КИМ-ЧМ-ФМ, КИМ-ФМ-ФМ, КИМ-ЧИМ-ФМ и др.) сигналом КИМ модулируется поднесущая, а затем - несущая. Занимаемая полоса частот увеличивается. Однако такая структура сигнала оказывается более удобна для построения демодуляторов. С помощью поднесущих создается дополнительная частотная селекция для защиты от сосредоточенных помех. Сигналы с поднесущими характерны для космических радиолиний протяженностью вплоть до сотен миллионов километров. На таких дальностях может быть достигнута скорость передачи информации порядка сотен кбит.

При проектировании приемных устройств радиолиний необходимо искать такие технические решения, которые обеспечат оптимальную структуру приемника при заданном критерии качества.

Очень часто радиолинию стремятся проектировать таким образом, чтобы минимизировать вероятность  ошибочного приема элементарных символов («1» или «0»). Минимальная вероятность  достигается при использовании оптимальных приемников, в которых для определения параметров принимаемых сигналов формируется функция правдоподобия и ищется ее максимум. Однако практическая реализация такого оптимального приемника может быть затруднена, т.к. функция правдоподобия представляет собой в общем случае многомодальную трехмерную функцию.

Вместо оптимальных приемников используют более простые. Платой за простоту приемников является увеличение вероятности  при той же мощности передатчика.

Наиболее часто проектируются приемники, в которых для демодуляции несущей используется когерентное опорное колебание. В качестве демодулятора используется синхронный детектор, а опорное напряжение формируется с помощью системы фазовой подстройки (ФАПЧ) с дополнительными устройствами для поиска и захвата частоты.

Когерентные радиолинии по своим характеристикам позволяют обеспечить вероятности ошибочного приема , близкие к аналогичным вероятностям оптимального приемника при простой технической реализации.

Существуют два основных подхода при построении когерентных радиолиний. Первый подход основан на том, что в спектре радиосигнала существует спектральная составляющая на несущей частоте, которая выделяется системой ФАПЧ и используется в качестве опорного сигнала при синхронном детектировании. Но эта составляющая не несет полезной информации и, с точки зрения передачи сообщений, энергия на ее передачу расходуется напрасно.

Второй подход основан на использовании сигналов с подавленной несущей. Чтобы обеспечить работу ФАПЧ, радиосигнал подвергается нелинейному преобразованию для формирования когерентного опорного сигнала.

 

  1. Структура и спектр сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ

 

Сигнал КИМ-ЧИМ-ФМ является одним из наиболее часто применяемых при организации цифровой связи по радиоканалам большой длительности. Символы сигнала КИМ заполняются прямоугольными колебаниями (меандром) разной частоты для нулей и единиц. Сигналом КИМ-ЧИМ модулируется по фазе несущее колебание.

Аналитическая запись сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ имеет вид:

,

где ;  и   - колебания прямоугольной формы (меандр) с частотами  и , используемыми на второй ступени модуляции сигнала;  - последовательность положительных и отрицательных прямоугольных импульсов, т.е. сигнал КИМ;   определяет порядок следования элементарных символов.

Общий вид спектра изображен на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Спектр сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ

 

Интенсивность непрерывной части спектра на частотах  и , т.е. величина  ,  равна:

,

где  - девиация на последней ступени модуляции;  - вероятность появления единиц в сигнале КИМ;  - длительность элементарного символа.

Спектр сигнала изображен для случая, когда . Если , форма спектра изменится. В частности не будут равны непрерывные части спектра на частотах  ,  .

Характерной особенностью спектра сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ является отсутствие спектральных составляющих на четных гармониках частот  и  .

 

  1. Демодуляция сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ

 

Для модуляции сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ наиболее целесообразно использовать когерентное детектирование (рис. 2).

 

КД

КИМ-ЧИМ-ФМ                                                                 КИМ-ЧИМ

 

Рис. 2. Упрощенная схема демодулятора КИМ-ЧИМ-ФМ

 

Если использовать в качестве опорного напряжения , которое определяется    , то на выходе когерентного (фазового) детектора будет сигнал вида КИМ-ЧИМ.

Для получения опорного напряжения  при установлении связи с подвижными объектами используются следящие фильтры, выполняемые на основе систем ФАПЧ. При использовании сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ работа системы ФАПЧ облегчается, т.к. в окрестностях частоты  нет спектральных составляющих передаваемого сообщения. Фазовая погрешность системы ФАПЧ (понимаемая как разность фаз между сигналом гетеродина и идеальным опорным напряжением) будет определяться формулой:

,

где   - спектральная плотность мощности белого шума на входе ФАПЧ;  - шумовая полоса ФАПЧ;  - мощность спектральной составляющей, используемой для синхронизации.

 

  1. Сравнение помехоустойчивости радиолиний

КИМ-ФМ и КИМ-ЧИМ-ФМ

 

Радиолиния КИМ-ФМ при идеально работающем синхронном детекторе (т.е. когда его опорное напряжение полностью когерентно с несущей) позволяет минимизировать вероятность ошибочного приема . В идеальной радиолинии КИМ-ФМ опорное напряжение формируется из принятого колебания. Поскольку спектр сигнала КИМ-ФМ имеет вид, показанный на рис. 3, то в шумовую полосу системы ФАПЧ будут попадать спектральные составляющие, соответствующие передаваемому сигналу КИМ. Воздействие этих спектральных составляющих будет аналогично воздействию шума и приведет к дополнительной фазовой нестабильности опорного напряжения.

 

 

 

 

 

 



 
шатер палатки удочки. ремонт и обслуживание систем. Вес антенных опор