Виды модуляции, применяемые в спутниковых и радиорелейных системах передачи

Технико-экономические показатели радиорелейных и спут­никовых систем связи и особенности построения оконечного оборудования ствола, приемопередающей аппаратуры во многом определяются выбранным видом модуляции высокочастот­ной несущей многоканальным (групповым) сигналом. Последний может быть сформирован:

- с помощью каналообразующего оборудования и оборудования формирования групп каналов и трактов аппаратуры аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК) с помощью однополосной амплитудной модуляции;

- с использованием каналообразующего оборудования анало­говых систем передачи с временным разделением каналов (СП с ВРК) с помощью фазоимпульсной модуляции;

- с помощью каналообразующего оборудования и оборудования формирования типовых потоков цифровых систем передачи (ЦСП) с использованием импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей.

Основными показателями, характеризующими виды модуляции радиосистемы передачи (РСП радиорелейной, спутниковой), являются поме­хоустойчивость в отношении тепловых шумов, эффективность исполь­зования занимаемой полосы частот, степень подверженности переда­ваемых сигналов влиянию не идеальности характеристик ствола - линейного тракта, сложность построения приемопередающей аппа­ратуры и соответствующих модуляторов и демодуляторов.

В аналоговых СП с ЧРК в основном применяется частотная модуля­ция (ЧМ). При ЧМ основной причиной нелинейных искажений сигналов в радиоканале, приводящих к взаимным влияниям между каналами в СП с ЧРК, является нелинейность ФЧХ, в то время как при обычной AM и AM с передачей одной боковой полосы (АМ-ОБП) частот основной причиной нелинейных искажений является нелинейность АХ. Так как компенсация нелинейности ФЧХ выполняется более простыми методами, чем компенсация нелинейности АХ, то приемопередаю­щая аппаратура при использовании ЧМ в РСП оказывается более простой, чем при AM и АМ-ОБП. Кроме того, ЧМ обладает большей помехоустойчивостью в отношении теплового шума и внешних помех по сравнению с AM и АМ-ОБП, если индекс ЧМ не слишком мал.

При ЧМ мгновенная частота модулированного радиосигнала изменяется в соответствии с модулирующим сигналом с (t):

+ , (1)

где - частота несущей; - отклонение частоты под воздейст­вием модулирующего сигнала (девиация частоты): - крутизна модуляционной характеристики частотного модулятора, Гц/В.

Основными характеристиками ЧМ радиосигнала являются: де­виация частоты, индекс частотной модуляции и ширина спектра, необходимая для неискаженной передачи. Поскольку основной загрузкой радиостволов являются групповые телефонные сигналы СП с ЧРК, то и рассмотрим характеристики ЧМ радиосигнала для этого вида загрузки.

Эффективная девиация частоты соответствует средней мощности W_ср группового сигнала и эффективной девиации частоты на канал ∆f_k (соответствующей измерительному уровню сигнала в одном канале TЧ) определяется по формулам

(2)

(3)

где N - число каналов соответствующей СП с ЧРК. Величина ∆f_k обычно нормируется и в зависимости от N может изменяться в пределах 35...200 кГц.

Эффективное значение индекса ЧМ М_эф определяется отноше­нием эффективной девиации частоты к верхней частоте F_в спектра группового телефонного сигнала, т. е,

Для характеристики ЧМ радиосигнала используются также понятия квазипиковых девиации частоты и индекса модуляции, соответст­вующие квазипиковой мощности группового сигнала, превышаемой с вероятностью не более 10^-3и соответственно равным:

Важной характеристикой ЧМ радиосигнала является ширина его спектра, определяющая необходимую полосу пропускания радиока­нала П_чм. При передаче сигналов многоканальной телефонии мини­мальная необходимая полоса частот должна определяться исходя из минимально допустимого уровня переходных помех, возникающих из-за ограничения спектра.

На практике для приближенной оценки необходимой полосы час­тот часто пользуются следующей эмпирической формулой Карсона

= 2( ). (6)

При передаче сигналов телевидения характеристики ЧМ радио­сигнала зависят от соответствующих параметров сигналов изобра­жения и звукового сопровождения. Для сигнала изображения верх­няя частота спектра F_в, размах сигнала, а, следовательно, макси­мальная девиация частоты ∆f_k известны: F_в= 6МГц, ∆f_k = 4МГц.

Если в одном стволе передаются сигналы изображения, звуково­го сопровождения и звукового вещания с использованием частотно­го разделения, то верхняя частота модулирующего сигнала, эффек­тивная девиация частоты и необходимая полоса частот возрастут.

Модуляцию в цифровых РСП принято называть манипуляцией. В зависимости от числа уровней модулирующего (манипулирующего) сигнала различают двухуров­невую (двоичную) и многоуровневую манипуляцию.

Для многих видов манипуляций, применяемых в цифровых ра­диорелейных системах передачи, предполагается использование манипулирующих сигналов, отличающихся по структуре от исходно­го передаваемого двоичного сигнала. Формирование указанных манипулирующих сигналов осуществляется специальным кодирую­щим устройством - кодером модулятора. При демодуляции радио­сигнала на приемном конце с помощью декодера демодулятора производится обратное преобразование, в результате чего форми­руется исходный двоичный сигнал. Декодированию, естественно, предшествует регенерация сигнала. Совокупность кодера модуля­тора и декодера демодулятора образует модем для цифровой РСП, обобщенная схема которого приведена на рисунке 6.

В современных цифровых радиорелейных и спутниковых системах передачи применяются амплитудная, фазовая частотная и комбини­рованная амплитудно-фазовая манипуляции.

Амплитудная манипуляция - AM. Хотя этот вид манипуляции в современной цифровой радиосвязи встречается весьма редко, он еще служит удобной основой для введения некоторых основных понятий. В настоящее время находит применение лишь двоичная AM. Манипулирующим (модулирующим) сигналом в цифровых систе­мах радиосвязи является случайная последовательность «1» (токовая посылка) и «0» (пауза – бестоковая посылка).

Рисунок 6. Функциональная схема модема цифровой РСП

Пример радиосигнала для случайной двоичной последователь­ности прямоугольных видеоимпульсов показан на рисунке 7, где Т - длительность элемента исходного двоичного сигнала.

Для сигналов AM самым распространенным является некоге­рентный прием, включающий в себя измерение амплитуды оги­бающей на выходе узкополосного фильтра. Модуляция и демоду­ляция сигналов в системах с двоичной AM не требует специального кодирования и декодирования.

Минимальная полоса частот П_АМ, необходимая для передачи AM радиосигнала, численно равна скорости передачи цифровой информации В (частоте следования передаваемых элементов исходного двоичного сигнала).
Эффективность использования полосы частот характеризуется максимальной удельной скоростью передачи при двоичной AM и равна S_АМ = В/П_АМ.

Рисунок 7. Форма сигналов при АМ

Фазовая манипуляция - манипулируемым параметром высокочастотной несущей радиоимпульса является ее фаза ω_иt. В современных РСП применяются двоичная, четырехуровневая и восьмиуровневая ФМ. При демодуляции фаза ФМ радиосигнала сравнивается: с фазой восстановленного на приемном конце опорного колебания (несущей). Из-за случайных искажений радиосигна­ла имеет место неопределенность фазы восстановленной несущей, что является причиной, так называемой обратной работы, при которой двоичные посылки принимаются «в негативе». При этом происходит сбой (ошибка) при приеме сигналов в радиолинии. Для преодоления влияния неопределенности фазы применяется разностное кодирование фазы передаваемых радиоимпульсов. Фазовую мани­пуляцию с разностным кодированием фазы называют фазоразностной или относительной фазовой манипуляцией (ОФМ). В циф­ровых радиорелейных системах передачи с ОФМ при передаче информации кодируется не сама фаза радиосигнала, а разность фаз (фазовый сдвиг) двух соседних радиоимпульсов. Структура ОФМ радиосигнала для двухуровневой ФМ представ­лена на рисунке 8.

Рисунок 8. Структура двухуровневого ОФМ радиосигнала

Из рисунка 8 следует, что фаза несущего колебания изменяется от­носительно ее предыдущего состояния на 180⁰ при передаче «1» и остается неизменной при передаче «0».

Применяются два способа демодуляции ОФМ радиосигналов. В первом случае вначале восстанавливается несущая и когерентно детектируется ОФМ радиосигнала, затем разностно декодируются принимаемые сигналы. При таком способе демодуляции операции детектирования и декодирования разделе­ны и выполняются последовательно. Второй способ предполагает дифференциально-когерентное (автокорреляционное) детектиро­вание ОФМ радиосигнала, при котором в качестве опорного колеба­ния используется предшествующий радиоимпульс. При этом опера­ции детектирования и декодирования совмещены.

Ширина спектра ОФМ радиосигнала зависит от скорости переда­чи информации В и числа уровней манипуляции М.

Полосу пропускания выбирают П_офм = (1,1...1,2)В/log₂М. Из последнего выражения следует, что при увеличении числа уровней манипуляции полоса частот, необходимая для пере­дачи ОФМ радиосигнала, уменьшается. При ОФМ-4 (М = 4) полоса частот вдвое меньше, чем при ОФМ при одинаковой скоро­сти передачи информации. Максимальная эффективность исполь­зования полосы частот при ОФМ равна = .

Частотная манипуляция - модулируемым (манипулируемым) параметром является частота высокочастотного заполнения радиоимпульса. В РСП применяются двоичная, трехуровневая, четырехуровневая и восьмиуровневая ЧМ. Пример простейшей двухуровневой ЧМ сигнал показан на рисунке 9.

Рисунок 9. Форма сигнала при частотной манипуляции: а – манипулирующий сигнал; б - частотно-манипулирующий сигнал - радиосигнал ЧМ

В большинстве РСП с частотной манипуляцией используются модулирующие колебания прямоугольной формы, причем амплитуды несущих остаются постоянными. Полоса частот необходимая для передачи ЧМ радиосигнала и эффективность ее использования зависят от скорости передачи информации, числа уровней и максимальной девиации частоты.

При демодуляции ЧМ радиосигналов применяется некогерентное детектирование, причем обычно используются те же частотные детекторы, что и в аналоговых РСП с ЧМ.

Большой интерес представляет применение частотной мани­пуляции с минимальным сдвигом (ЧММС), являющейся частным случаем манипуляции с непрерывной фазой, при которой фаза манипулированного радиосигнала изменяется непрерывно и не имеет скачков на границах радиоимпульсов. При ЧММС для пере­дачи «1» и «-1» как при обычной двоичной ЧМ, используются две частоты, однако разнос между ними выбирается так, чтобы за вре­мя длительности элемента Т фаза манипулированного радиосигна­ла изменялась ровно на π/2. При этом если передается «1», то частота радиосигнала , так что в момент окончания радиоимпульса его фаза получает сдвиг π/2. При передаче «-1» частота радиоимпульса , в результате чего фаза радио­импульса в момент его окончания приобретает сдвиг π/2. Таким образом, ЧММС весьма похожа на ОФМ, при которой фаза манипу­лированного радиосигнала также изменяется на π/2,в течение каждого интервала Т. Отличие состоит лишь в том, что при ЧММС фаза изменяется не скачкообразно, а непрерывно.

При демодуляции ЧММС радиосигналов используется когерент­ное детектирование. Помехоустойчивость ЧММС близка к помехо­устойчивости двоичной ОФМ, а эффективность использования полосы частот примерно такая же, как при четырехуровневой ОФМ.

Амплитудно-фазовая манипуляция манипулируемым параметром является комплексная амплитуда радиосигнала. Формирование M-уровневого АФМ сигна­ла может быть реализовано путем М ^0,5 - уровневой балансной ам­плитудной манипуляции синфазной иквадратурной составляющих сигнала одной частоты и сложения полученных AM радиосигналов. По этой причине АФМ часто называют квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ).Минимальная необходимая полоса частот П_АФМ и максимальная эффективность использования полосы определяются так же, как в случае многоуровневой ФМ (ОФМ).

Интересно ориентировочно сравнить эффективность использо­вания полосы частот цифровых и аналоговых РСП. Если в цифро­вых системах используется ИКМ со скоростью передачи основного цифрового канала 64 кбит/с, то в системах с AM и ОФМ-2 (двух­уровневая) максимальная емкость ствола с полосой 40 МГц состав­ляет 625 каналов тональной частоты (КТЧ), с ОФМ-4 (четырехуров­невая) и ЧММС - 1250 КТЧ, с ОФМ-8 - 1875 КТЧ, наконец, при использовании АФМ-16 - 2500 КТЧ. Максимальная достигнутая в настоящее время емкость аналоговых систем с ЧМ при той же полосе составляет 3600 КТЧ. Таким образом, можно считать, что эффективность использования полосы частот в наиболее совер­шенных цифровых РСП приближается к эффективности аналоговых систем с ЧМ. В РСП с малой и средней пропускной способностью эффективность использования полосы частот в цифровых системах не ниже, чем в аналоговых системах с ЧМ.

Среди рассмотренных видов манипуляций наибольшей просто­той реализации отличаются двоичные AM и ЧМ, а также трехуровневая и четырехуровневая ЧМ при использовании частотного дис­криминатора для демодуляции сигналов. Сравнительно просто реализуются ОФМ-2 и ОФМ-4 при дифференциально-когерентном детектировании сигналов, основные сложности связаны с необхо­димостью восстановления опорного колебания на приемном конце. Наибольшие трудности возникают при использовании ОФМ-8 и АФМ-16, причем в последнем случае возникают дополнительные трудности, связанные с необходимостью обеспечения высокой линейности амплитудной характеристики всего линейного тракта.

Двоичные некогерентные AM и ЧМ применяются в РСП с малой пропускной способностью, а также в перевозимых РРСП, двоичная ОФМ - в РСП с малой и средней пропускной способностью. Широ­кое применение в РСП с различной пропускной способностью на­шли ОФМ-4. Наряду с ОФМ-4 АФМ-16 становится основным видом манипуляции для цифровых РСП с высокой пропускной способно­стью. Для передачи цифровых сигналов в аналоговых РСП приме­няются двоичная и многоуровневая ЧМ с числом уровней М = 3, 4 и 8 при использовании аналогового частотного детектора для демо­дуляции.

Контрольные вопросы:

1. Назовите типы станций радиорелейной линии прямой видимости и укажите их назначение.

2. Что такое ствол радиорелейной линии передачи? Его состав.

3. Назовите признаки классификации радиорелейных линий передачи.

4. Какое явление используется в тропосферных радиорелейных линиях.

5. Виды модуляции, используемые при построении радиорелейных и спутниковых систем передачи. Их достоинства, недостатки и об­ласть применения.

6. Виды манипуляций в цифровых радиорелейных системах переда­чи, их достоинства и недостатки.

7. Сущность амплитудно-фазовой манипуляции.

8. Почему в качестве промежуточной ступени модуляции в радиоре­лейных и спутниковых системах передачи применяется частотная модуляция.

9. Назовите основные параметры и характеристики ЧМ радиосигнала и поясните их физическую сущность.

10. Как организуется двусторонняя передача сигналов в одном высо­кочастотном стволе радиорелейной системы передачи?

11. Назовите достоинства многоствольной радиорелейной системы передачи и способы ее организации.

12. Основные элементы цифровой радиорелейной линии связи.

13. Особенности построения тропосферных линий связи.

14. Какие требования, предъявляются к построению радиорелейных линий связи?

15. Какие требования, предъявляются к построению тропосферных линий связи?