Упос как составная часть системы передачи информации. Предмет и задачи курса.

Использование теории оптимального приема при проектировании УПОС.

Основные задачи приема. Структура оптимального приемника.

Характеристики линейного и нелинейного трактов приемника во многом определяет качество передачи информации, а следовательно стоимость всей СПИ.

С целью оптимизации характеристик разработана теория оптимального приема, которая отдельно рассматривает линейные и нелинейные устройства.

Однако структуры устройств, которые получаются при использовании этой теории, оказываются сложными и дорогими. Поэтому на практике используется субоптимальный прием, который оказывается намного дешевле (но немного хуже). Поэтому результаты позволяют выбрать лишь ориентир для практического проектирования и позволяют отследить качество спроектированного приемника в сравнении с оптимальным.

Рассмотрим оптимальную характеристику фильтра линейного тракта, которая обеспечивает минимальный уровень среднеквадратичной ошибки выходного сигнала такта по сравнению с неискаженным идеальным сигналом.

Частотная характеристика: ,  - задержка,  - энергетические спектры сигнал, помеха.

 

                                  

 

                                                                          

                                          энергетические спектры

 

 

                                                                           

 

 

 

1

                                                                                                    АЧХ

 

                                                                                  

 

 

Из графических построений следует, что оптимальный фильтр в полосе частот должен иметь единичный коэффициент передачи, а вне полосы частот нулевой. Скаты АЧХ фильтра определяются соотношением скатов спектров внеполосных помех и сигнала.

Наиболее просто требуемая форма фильтра апроксимируется полосовым фильтром.

Инфрадин.

В ряде случаев приходится перестраивать приемник в очень широком диапазоне частот (1,5 – 30 МГц – КВ связь).

Если количество поддиапазонов велико, то в состав преселектора входит большое количество полосовых фильтров или переключаемых катушек индуктивности, а также большое количество коммутационных элементов высокого качества (они должны работать со слабыми сигналами).

В этом случае все наиболее мощные каналы побочного приема оказываются за пределами частотного диапазона приемника, поэтому их можно подавить простым полосовым фильтром, полоса пропускания которого равна рабочему диапазону приемника.

                                              

     АЧХ преселектора                                         

                                                   

                                                                          

                              

                                                                 

 

Следует, что зеркальная помеха и помеха прямого прохождения оказываются за пределами частот приемника, следовательно, установив в преселекторе полосовой фильтр с полосой, равной -  мы обеспечиваем подавление всех указанных побочных помех.

Недостатки:

1. Чтобы обеспечить хорошее подавление соседних помех используют двойное преобразование частоты, которое характеризуется малой второй промежуточной частотой. Инфрадин – это как правило структура с двухкратным преобразованием частоты.

2. Так как фильтр приемника имеет широкую полосу, то мощность помех очень большая, высока вероятность нелинейного режима работы УРЧ и смесителя. Чтобы исключить нелинейный режим приборы УРЧ используют с широким динамическим диапазоном.

3. Так как частота гетеродина очень велика, то становится и большой абсолютная нестабильность частоты гетеродина. Колебания частоты гетеродина приводит к колебанию промежуточной частоты.

 

 

                              АЧХ УПЧ2   

                                                       расширенная АЧХ

                                  

                                                спектр сигнала

                          

                                 

Чтобы исключить искажения спектра сигнала при колебаниях промежуточной частоты приходится расширять полосу пропускания фильтра УПЧ2, при этом снижается степень подавления соседних помех, увеличивается мощность шума в полосе пропускания, следовательно, снижается отношение с/ш на выходе линейного тракта, что ведет к потере чувствительности.

Чтобы уменьшить абсолютную нестабильность частоты генератора применяют дорогостоящий синтезатор частоты.

Инфрадины широко применяются в коротковолновых связях.

 

Повышение устойчивости УРЧ

    Существует 2 подхода:

1) пассивный подход: коэф-т усиления снижают до тех пор, пока не будет выполнено условие устойчивости. Одним из вариантов снижения коэф-та усиления – это выбор  в соответствии с условием обеспечения устойчивости, который получится выше. После выбора нового значения  необходимо скорректировать значение , чтобы обеспечить эквивалентную проводимость 2-го контура.

Если и  найдены по приведенным формулам, то усилитель работает в режиме ограниченного усиления.

2) активный подход: в этом случае проектируют схему так, чтобы уменьшить влияние внутренней ОС на работу усилителя. Одним из вариантов реализации этого подхода является введение в усилитель дополнительной ОС, которая компенсирует действие внутренней ОС. Недостатком такого подхода является «узкополосность решения», кроме того такой подход требует индивидуальной регулировки схемы под конкретный экземпляр усилителя.

Более перспективным является повышение устойчивости путем каскадного соединения усилительных приборов.

                 УП_Σ

Если выход предыдущего усилительного прибора по переменному току непосредственно подключен ко входу последующего усилительного прибора, то можно показать, что А эквивалентного прибора больше активностей составляющих усилительных приборов.

Наиболее часто используется каскадное соединение транзисторов, при котором 1-ый усилитель включается с ОЭ, а второй с ОБ. Такая схема обеспечивает большой К_Р, широкую полосу рабочих частот и относительно небольшой К_Ш, поэтому такая схема широко используется в преселекторах, получила название каскодной.

R_б12 и R_б22 образовывают базовый делитель для VT2. С_бл обеспечивает подключение базы VT2 к общей шине по переменному току.

 

Микросхемные смесители.

В базовой структуре является дифференциальный усилитель с управляемым источником тока. Базовую структуру комбинируют для обеспечения высокой степени развязки.

     Т.к. величина U₂ меняет коэффициент усиления диодного усилителя VT1-VT2, то при достаточно малых значениях U₁ осуществляется операция линейного перемножения сигналов U₁ и U₂.

     При полно симметрии диф. усилителя отсутствует напряжение с частотой f₂(U₂) – имеет место большая развязка между вх. U₂ и вых. усилителя. Развязка между вх. U₁ и вых. усилителя отсутствует. Для обеспечения развязки данного вида используют две структуры данного типа, при этом на входы управляемых источником тока подаются напряжения в противофазе и также в противофазе подаются на вх. U₁, а вых. диффиренциальных усилителей включенных параллельно.

     Микросхемные перемножители осуществляют высокую степень развязки, за счет хорошей балансировки, малый уровень комбинационных составляющих. Проигрывает диодным по частотному диапазону.

ГЕТЕРОДИНЫ.

Требования: высокая стабильность частоты, малый уровень побочных колебаний, малый уровень собственных шумов.

      Проанализируем влияние побочных компонентов в спектре гетеродина на избирательность приемника по побочным каналам приема.

Если помеха отстоит от побочного компонента спектра гетеродина на fпч, то происходит перенос помехи в полосу пропускания УПЧ – возникает дополнительный канал приема. Если в первом приближении считать коэффициент передачи смесителя прямо пропорциональным уровню колебаний гетеродина для обеспечения избирательности приемника на А дБ необходимо обеспечить подавление побочных компонентов в спектре гетеродина на величину больше чем А дБ. Следует отметить, что синтезаторы частот имеющие на много большую стабильность частоты, чем автотрансформаторы, проигрывают им в отношении частоты спектра.

 

Режим сильного сигнала

Основными параметрами АД являются: коэффициент передачи; уровень нелинейных искажений в вых. напряжении детектора и вх. сопротивление детектора которое определяет нагрузку последнего каскада УПЧ.

     Коэффициент передачи.

При росте величины вх. напряжения через открытый диод происходит относительно заряд Cн. В момент времени t₁ напряжение на нагрузке=U_вх и с дальнейшим течением времени напряжение на входе становится меньше напряжения на нагрузки – диод запирается, и начинается медленный разряд Cн через Rн. В момент времени t₂ вновь напряжение на нагрузки сравнивается с Uвх и с дальнейшим течением времени Uвх становится больше Uн. Диод открывается и происходит быстрый заряд Сн до момента t₃ . Далее все процессы повторяются.

На основе вышеизложенного: U_Д=Uвх(t)-Uн(t). Если крутизна диода достаточно велика и велико Rн, то коэффициент передачи АД близок к 1. Он полностью определяется S×Rн (S-крутизна).

     Из приведенных эпюров, следует, что диод в открытом состоянии находится в очень малом промежутки времени по сравнению с периодом вх. сигнала.

 

Фазовые детекторы (ФД)

Входное напряжение ФД определяется разностью фаз между входным и опорным колебаниями.

Так же как и в случае преобразования частоты математической основой ФД является перемножение сигналов входного и опорного. Поэтому схемотехника ФД похожа на схемотехнику смесителей, отличия заключается лишь в фильтре который выделяет выходное напряжение. На выходе ФД устанавливают ФНЧ, в то время как в смесителе ПФ. Различают 2 основных способа построения ФД векторно-мерного типа и коммутационного типа.

 

Выход ФД определяется разностью вых. напряжений 2-х АД (ампл. детектор) на диодах VD1 и VD2 по выходу они (АД) включены встречно. На вход каждого АД поступает сумма сигнального и опорного колебаний. Uвых=Кад(Uvd1-Uvd2)

Проанализируем работу ФД с помощью векторной диаграммы:

Найдем Uvd1 из геометрических построений

С целью упрощения анализа считаем Uc<<Uo

Для получения аналитического выражения воспользуемся разложением в ряд функции квадратного корня.

 

; 

 

Пользуясь аналогичными рассуждениями и учитывая что угол φ2 является положительным записываем

Uвых=Кад(Uvd1-Uvd2)=Кад( )=Кад

Uo>>Uc Uвых=КадUccos φ

Линейная зависимость выходного напряжения от сдвига фаз наблюдается в узком диапазоне сдвига фаз (область п/2). Нулевое значение напряжения соответствует сдвигу фаз п/2. При очень большом напряжении сигнала ставиться ключ.

В выражении для выходного напряжения отсутствует выражение для Uo => от опорного напряжения не зависит эффект детектирования если опорное напряжение велико с физической точки зрения при большом значении Uo диоды ведут себя как электронные ключи, поэтому независимо от уровня опорного напряжения ключ может находиться в открытом или закрытом состоянии => в схеме диоды заменяют на электронные ключи – осуществляется переход к схеме коммутационного ФД.

 

Опорный сигнал в виде последовательных импульсов управляет электронными ключами, сигнальные колебания поступают на сигнальные входы ключей в противофазе (так же как и в предыдущей схеме) вых. напряжение выделяется с помощью ФНЧ. Покажем что зависимость Uвых от сдвига фаз φ имеет такой же вид что и детекторная характеристика предыдущей схемы.

 

При φ=0 постоянная составляющая токов i1 и i2 принимает макс значение, поэтому макс значение принимает Uвых т.к. именно постоянная составляющая выделяется на выходе схемы.

При φ=п\2 i1 и i2=0 => Uвых=0

Результаты анализа соответствуют ФД предыдущей схемы.
Коммутационная схема проще реализуется в микросхемном но имеет меньшее быстродействие по сравнению с векторно-мерной.

 

38. Частотные детекторы (ЧД)

ЧД как и ФД(фазовый детектор) является детектором угловой модуляции для всех детекторов данного класса необходимо обеспечить постоянство уровня детектирования сигнала на входе детектора, поэтому как правило сигнал перед угловым детектированием пропускают через амплитудное детектирование, либо применяют спец схемы которые не чувствительны к изменению уровня входного сигнала.

ЧД строятся по одному из 3х принципов:

1. Вх сигнал предварительно преобразуется в АМ сигнал, а затем осуществляется его амплитудное детектирование. Закон АМ(амплитудной модуляции) соответствует ЧМ.

2. Вх сигнал преобразуется в фазово-модулированный после чего осуществляется фазовое детектирование.

3. Вх сигнал преобразуется в импульсный после чего осуществляется обработка импульсного сигнала.

 

ЧД с промежуточным преобразованием промежуточного сигнала в Амодулированный.

Детектор содержит линейный 4х полюсник. АЧХ которого должна быть линейной.

Т.к. контур расстроен относительно центральной частоты сигнала то Uвых контура меняется во времени по амплитуде.

Достоинства: низкая стоимость.

Недостатки: большие нелинейные искажения, с целью их уменьшения используют балансные схемы где вместо 1 контура применяется 2 АД

Колебательные контуры расстроены симметрично относительно центральной частоты спектра сигнала. Uвых схемы является разностью выходных напряжений АД VD1 и VD2

Меняя частоты настройки колебательных контуров и их добротности можно обеспечить более высокую степень линейности по сравнению с предыдущей схемой. Недостатком является сложная регулировка.

ЧД с промежуточным преобразованием сигнала в фазомодулированный

Здесь ЧД содержит линейны 4х полюсник ФЧХ которого линейна.

Линия задержки φ=ωτ обладает линейной ФЧХ.

Для получения высокой крутизны преобразования изменение частоты в изменение фазы, необходимо иметь большую величину задержки.

Т.к. реализация линии задержки с большой τ затруднительна то используют аппроксимирующие 4х полюсники.

Если мгновенная частота сигнала совпадает с частотой настройки контура то сдвиг фазы вносимой в контур равен нулю то в этом случае на ФД поступают 2 колебания со сдвигом фаз на 90 градусов. => выходное напряжение ФД равно нулю.

При изменении частоты вх сигнала по отношению к частоте настройки контура появляется дополнительный сдвиг фазы, что отражается в выходном напряжении ФД.

 

В полосе пропускания колебательный контур ведет себя как линия задержки.

Нелинейные искажения меньше т.к. ФЧХ имеет большую степень линейности чем АЧХ контура. (ну и тупняк)

ЧД с импульсным преобразованием сигнала

Есть несколько вариантов построения ЧД. Например по принципу электронно-счетного частотомера.

Рассмотрим простейший вариант реализации схемы:

 

Чем выше частота следования коротких импульсов (длительность и амплитуда постоянны) тем больше составляющая этой последовательности, которая выделяется ФНЧ.

Достоинства: малое нелинейное искажение.

Недостатки: малое быстродействие, малый частотный диапазон.

39 Воздействие помех на ЧД. Схемы порогопонижения.

Простейшая ситуация когда и помеха и сигнал не модулированы когда помеха меньше сигнала.

Т.к. воздействие помех на сигнал приводит к тому что суммарный вектор Uвх детектора отличается от вектора сигнала и по величине и по фазе (т.к. устанавливаются амплитудные ограничители изменения уровня вх. сигнала), можно при анализе не учитывать, рассмотрим изменение фазы вх. сигнала φ.

φ = ,  Uп<<Uс

Определим то изменение по частоте, которое вносится в сигнал на линии помехи.

Максимальное отклонение частоты дивиации

Наличие гармонической помехи приводит к возникновению помехи на выходе ЧД, она является гармонической с частотой  и уровень помехи определяется и величиной

 

При воздействии суммы малых гармонических помех (уровни помех одинаковы) на выходе также формируется сумма, однако уровень помех растет с увеличением расстройки помехи относительно сигнала.

Если вместо совокупности гармонических помех подать на вход белый шум то на выходе будет шум но спектральная плотность мощности не равномерна, она возрастает с ростом частоты.

Чтобы обеспечить постоянное отношение сигнал\шум для НЧ и ВЧ компонент сигнала на передатчике вводят предискажение в модулирующий сигнал, уровень ВЧ компонентов искусственно завышают тогда на выходе демодулятора приемника отношение сигнал\шум и для НЧ и ВЧ компонентов одинаково, чтобы устранить искажение в полезном сигнале после демодулятора ставят корректирующий ФНЧ который занижает уровень ВЧ компонентов, отношение сигнал\шум остается постоянным.

Такие предискажения используются в ЧМ радиовещании.

Прием АМ и ОБП сигналов

Достоинство – низкая стоимость.

Общая структура:

ЛТ(линейный тракт) построенный по структуре с однократным или 2х кратным преобразованием частоты, охватывается петлями АРУ и УПЧ. С выхода УПЧ подается на диодный детектор

Недостатки: неэкономичное использование частотного спектра, т.к. спектр не симметричен одна из боковых полос дублирует другую полосу частот. Много энергии тратится на передачу несущей.

 

При наличии симметричных селективных замираний возникают помехи (искажения) в канале связи.

Возникают нелинейные искажения при детектировании.

 

Постоянная времени петли АРУ выбирается достаточно большой чтобы придать системе АРУ такую инерционность которая не позволила бы ей отрабатывать полезную амплитудную модуляцию.

Можно считать что система АРУ реагирует лишь на очень медленное изменение уровня несущей и если в результате селективных изменений сигнала уровень уменьшился а боковые увеличены то возможен нелинейный режим работы ЛТ.

 

С целью ликвидации недостатков (обычного АМ приема) используется сигнал и модуляция с одной боковой полосой (ОБП).

Достоинства: спектр в 2а раза уже. Вместо несущей – «пилот сигнал», он может располагаться на месте несущей либо в любом месте спектра сигнала (уровень его мал). В частности пилот сигнал может быть полностью подавлен.

При демодуляции происходит восстановление несущей, селективные искажения сигнала не проявляются.

 

Рассмотрим структуру приемника ОБП сигнала с частично подавленной несущей.

С выхода ЛТ сигнал поступает на 2 фильтра, ФБП выделяет информативную часть, ФПС выделяет пилот сигнал.

 

Выход ФПС используется для организации работ систем частотной автоподстройки и АРУ, кроме того пилот сигнал подается на схему восстановления несущей. С выхода ГУН на перемножитель подается очищенный от помех и стабильный по уровню сигнал несущей.

Сигнал после перемножителя подается на ФНЧ, и возникает демодулирование сигнала.

 

Прием ОБП сигнала с полностью подавленной несущей.

Восстановление несущей происходит с помощью синтезатора частоты (СЧ)

Из-за нестабильности частот возбудителя передатчика и гетеродина приемника, демодулированный сигнал(его спектр) может смещаться по оси частот относительно спектра модулирующего сигнала на передатчике.

Если этот сдвиг превышает 50Гц то человек не в состоянии разобрать переданную информацию. Если речь идет о передачи музыкальных сигналов то искажения заметны при сдвиге 2-5Гц.

Если речь идет о радиотелефонной связи то при использовании кварцевых генераторов с нестабильностью частоты 10⁶ макс частота связи 25-30 Мгц а передача музыки не осуществляется.

В случае приема сигнала с полностью подавленной несущей, АРУ осуществляется по выходному сигналу. И чтобы АРУ не реагировало на естественное изменение громкости сигнала постоянную времени АРУ делают большой однако чтобы не было пауз устанавливают большой коэффициент передачи ЛТ и при начале следующей фазы происходит искажение сигнала пока система АРУ вновь не выйдет в стационарный режим.

Сравнение практических схем приема АМ сигнала с оптимальным приемником АМ сигнала.

Из теории оптимального приема следует структура ЛТ:

Ген-опорн Н – генератор опорного напряжения.

С выхода ЛИ сигнал поступает на систему ФАПЧ в которой формируется сигнал совпадающий по частоте с несущей и далее с помощью перемножителя и ФНЧ осуществляется демодуляция сигнала (схема с синхронным АД) В схемах где используется диодные детекторы. В данной схеме выигрыш в отношении с\ш при приеме слабых сигналов, в случае сильных сигналов выигрыша нет.

41. Прием ЧМ сигналов.

Рассмотрим структуру радиовещательного приемника ЧМ стерео сигнала.

ЛТ приемника практически отвечает классической схеме все отличие начинается после частотного детектирования. Выход ЧД подключается к стереодекодеру который из комплексного сигнала выделяет 2 сигнала левого и правого канала. Комплексный стереосигнал представляет из себя ВЧ колебания под несущей которое особым образом амплитудно промодулированно. В отечественном стандарте используется полярная модуляция под несущей. Положительные полуволны несут информацию об 1 канале, в случае отрицательных о 2 канале.

За рубежом стандарте – для формирования комплексного стереосигнала используется еще и пилот сигнал.

Формирование комплексного сигнала в отечественном стандарте.

Простейший стереодекодер:

Недостатки: малое переходное затухание между каналами.

 

 

Рассмотрим спектральный состав комплексного стереосигнала для анализа современных стереодекодеров.

Сигнал на выходе ЧД можно представить в виде суммы 2х сигналов. Рассмотрим форму двух сигналов:

 

Проанализируем способ получения сигнала только левого канала, комплексное слагаемое стереосигнала. Его можно представить в виде произведения 2х колебаний: 1ое – колебание поднесущей, 2ое – модулирующий сигнал левого канала.

 

 

Проводя аналогичный анализ для 2ого слагаемого комплексного стереосигнала можно записать окончательное выражение для комплексного стереосигнала.

 

Из полученного выражения следует что спектр комплексного стереосигнала состоит из 2х частей: 1ая – НЧ, она является суммой звуковых колебаний левого и правого канала, 2ая часть относительно ВЧ, и является АМ колебанием, модулирующий сигнал здесь разность левого и правого каналов.

Рассмотрим спектр реального стереосигнала отечественного стандарта для которого частота поднесущей 31.25кгц, макс частота модуляции 15кгц.

 

Из структуры спектра следует пригодность комплексного стереосигнала для использования его в приемниках монофонического звучания. А именно установкой ФНЧ до ЧД можно выделить спектр НЧ который подается на УНЧ.

 

Суммарно-разностный стереодекодер.

ПФ выделяет ВЧ часть спектра КСС который является амплитудно модулированным колебание, и после АД извлекается информация о разности левого и правого канала. ФНЧ выделяет монофонический сигнал который является суммой правого и левого канала. Данный декодер обеспечивает лучшее выделение каналов.

 

КАМ

Развитие МФМ привело к появлению КАМ(квадратур. ампл. модуляция), для которой посылки отличаются не только начальной фазой, но и амплитудой.

Сигнальное созвездие для КАМ16 имеет вид:

Как видно точки находятся не на одной(как для МФМ), а на нескольких окружностях. Т.о. КАМ16 имеет бОльшую помехоустойчивость по отношению к 16-уровнефой МФМ, т.к. расстояние между точками сигнального созвездия для КАМ16 больше.

Модулятор КАМ: Демодулятор КАМ:

 ОГ – опорный генератор

Х – перемножитель сигналов

+ - Сумматор сигналов

Офсетные виды модуляции

В случае КАМ может получиться, что вектор резко разворачивается на 180^О, а после узкополосного ПФ такой сигнал искажается. Чтобы избежать резких изменений формы сигнала, модулирующие последовательности U1 и U2 сдвигают во времени на половину длины инф-й посылки, тогда нарушается одновременность изменения инф-ии по квадратурным каналам приема, а значит и сдвиг на 180 исключается.

Прием сложных сигналов

Сложные сигналы имеют базу>>1 и обеспечивают высокую помехоустойчивость сигнала и позволяют при этом реализовать несколько каналов. Рассмотрим дискретный частотный сигнал:

Можно получить множество сигналов, которые не пересекаются с данным.

Пусть на данный сигнал действует:

1) узкополосная

2) широкополосная помехи

из схемы видно, что помехой поражается лишь одна посылка

 

Демодулятор сложного сигнала

 СФ – согласованный фильтр

Т – элемент задержки

БАЭС – блок анализа электрического сигнала.

Если w_i~С/Шум[от соотв. канала], то С/Шум – максимально

При создании демодулятора главной проблемой является БАЭС, ввиду того, что необходимо по какому-то критерию отличить сигнал от помехи.

 

 

УПОС как составная часть системы передачи информации. Предмет и задачи курса.

Информация передается с помощью сообщений. Наиболее быстрый способ передачи сообщений с помощью сигналов. Можно выделить первичный и вторичный сигналы.

При распространении сигналов в некоторой среде возникает их искажения, к ним добавляются помехи, поэтому при извлечении информации происходят ее потери. Если передачи информации осуществить с помощью аналоговых сигналов, то потери характеризуются отношением  на выходе передающего устройства. При цифровых сигналах потери характеризуются вероятностью ошибки.

Успехи вычислительной техники обусловлены развитием цифровых систем связи, которые являются перспективными. Основные достоинства:

1) малые потери информации – высокое качество передачи.

2) представление информации в цифровом виде позволяет легко автоматизировать процессы обработки информации.

Стоимость систем передачи информации определяется: скоростью передачи информации, допустимым уровнем потерь информации, чем выше уровень помех, тем больше степень искажения.

Из всех систем передачи информации наиболее сложные радиотехнические. Высокая стоимость систем обусловлена: доступностью среды распространения сигнала многим источникам излучения; среда распространения радиосигнала является не искусственной средой, а следовательно искажения велики.

Так как радиотехнические системы обеспечивают высокую дальность и мобильность, они являются привлекательными для многих служб, предъявляемых высокие требования.

БУ

АФУ

АЦП

Структура простейшей цифровой радиотехнической системы передачи информации (СПИ).

 

 

                                                                                                                    Передатчик

 

 

                                                                                                                                                                                 

Получатель инфор-ции

Усил+Ф. (Лин.тр)

Демод. (Нелин.тр)

Декодер

АФУ

ЦАП