Физические основы когерентной обработки сигналов

(ГС) в МкСПИ по типу ортональности сигналов

1. ЧРК.
2. ВРК
3. КРК

Системы передачи - совокупность Тех.Ср, обеспечивающих образование типовых каналов передачи и групповых трактов первичной сети связи, по которому сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве

Лекция 1.
Когерентная обработка сигналов в МкСПИ с ортогональными по частоте сигналами

1. Принципы ортогонального формирования группового сигнала в МкСПИ

пространстве д.б.:

где λ=S1λ1+S2λ2+S3λ3+…+Snλn– отличит. признак сигналов;(Si Sj) – скалярное произведение векторов Si и Sj.

Для двух сигналов

(1)

(2)

(4)

(3)

(5)

(6)

(7)

Условие ортогональности сигналов:

1. ЧРК -мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM).
2. ВРК - мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM).
3. КРК - мультиплексирование с разделением по коду (Code Division Multiple Access - CDMI).
4.Мультиплексирование с разделением по пространстве (Multiple Input Multiple Output -МIMO) и др (поляризационное).

Способы мультиплексирования

Принцип построения МП

Матем. модели МкСП:

Высокая ПМУ передачи сигналов.
3. Высокая эффективность использования выделенной ПЧ;
4.Универсальность каналов и трактов - сопряжение.
5.Высокая стабильность остаточного затухания каналов при БЗ.
6.Возможность внешнего уплотнения – удалённость от УС ПУ (до 14…16 км).

СП с ЧРК-ЧМ – эти СП, к-е используют 2 ступени частотного преобразования сигналов:
1. ЧРК – формирования многоканального сигнала (ГС) путем частотного объединение (разделение) канальных сигналов (трактов);
2. Частотная модуляция (ДМ) радиосигналов

Недостатки РРЛ с ЧРК-ЧМ:
1.Громоздкость АУ, особенно при N>12..
2.Невозможность выделения КТЧ без ДМ до ТЧ всех или группы каналов.
3.Повышение требований к линейности:
- АХ и АЧХ ГрУ и АО, модуляционной и ДМ характеристик;
- ФЧХ усилителей ВЧ и ПЧ;
4.Каналы ТЧ имеют неодинаковое качество по шумовой защищенности.

Лекция 2.
Принципы построения многоканальных радиосистема передачи с ЧРК и ЧМ

приемопередающего оборудования РРС

Рис. 1. Обобщенная структурная схема многоканальной РР СП

УОС – устройство объединения сигналов; УГС – усилитель групповых сигналов; АО – амплитудный ограничитель
ПК – предыскажающий контур; ЧМ – частотный модулятор; УПЧ – усилитель промежуточной частоты
МУПЧ – мощный усилитель промежуточной частоты; СМпер – смеситель передатчика; ПФ – полосовой фильтр
УСВЧ – усилитель сверхвысокой частоты
СМпр – смеситель приемника; КГВЗ – корректор группового времени запаздывания; ЧД – частотный детектор
ВК – выравнивающий контур; УРС – устройство разделения сигналов; РФ – разделительный фильтр

Принцип формирование ГС в СП с ЧРК

Рис. 2. Структурная схема радиорелейной станции с ЧРК-ЧМ

ММ ЧРК:

ΔFк = Fв - Fн = 
3,4 - 0,3 = 
3,1 кГц

Δ = 0,9 кГц

В результате индивидуального преобразования формируется первичные группы (ПГ) каналов, включающие в себя 3, 6 или 12 КТЧ.
3-канальные группы образуют широкий канал (ШК)- 12,3…23,4 кГц.
6-канальные ПГ 4…30 кГц, 12-канальные – 60,6…107,7 кГц

Рис. 3 Формирователь ортогональных
по частоте сигналов

1ст-Метод частотного уплотнения

Матрица Грама- разделения сигналов по ортогональному признаку

(1)

(2)

(3)

ММ ПрЧ:

радиосигнала (на рабочей частоте диапазона частот РРС);
2. На промежуточной частоте

Достоинство:
- ЧМС формируется 1 генератором без разрыва фазы (это сужает спектр радиосигнала);
- простота реализации.
Недостаток:
– низкая стабильность частот и частотного
сдвига (ЦР)- воздействие ДСтФ ГС

1. В малоканальных РРСт, работающих в диапазоне МВ и ДКМ (80-645МГц) ЧМС формируется непосредственно на радиочастоте в ЧМГ без кварцевой стабилизацией частоты

2. В многоканальных РРСт, работающих в диапазоне ДКМ и СМВ (1,5-8 ГГц) ЧМС формируется на ПЧ, а затем переносится в область рабочих частот с помощью высокостабильного генератора частотных подставок (ГЧП).

Достоинство:
- более высокая стабильность рабочей частоты;
- повышенная стабильность частот манипуляции (ЦР), т.к. на ПЧ можно понизить абсолютную стабильность частоты ЧМГ, путем термостатирования и исключить воздействие климатических изменений на его частоту, Недостаток: – сложность (ГЧП,ПФ, Сложный ГМС)

3. Комбинированный (ЦР). ЧМнС формируют кварцевые генераторы на ВЧ с разрывом фазы с последующим понижением часты до ПЧ, а затем перенос в ОРЧ с помощью ГЧП

Рис. 1. ЧМС на частоте несущей

Рис. 2. ЧМС на промежуточной частоте

Рис. 3. ЧМнС на ВЧ-ПЧ

0,1

Uпик 0,01

Рис. 1. Параметры группового сигнала

,

,

- суммарная мощность ГС (ур. относ. 1 МВт, дБм

Производные П.

Для речевого сигнала величина пик-фактора равна
18 дБ для ε = 0 и 13 дБ для ε = 0,001;
Для ГС пик-фактор не превышает 10 дБ, для ε = 0,001;.

Лекция 3. Характеристики ЧМ радиосигнала. Пороговый эффект

а)в частотной области

– ПЧ (шириной спектра) ГС ΔFгс;
– нижняя F1 и верхняя F2 граничные частоты;
– число каналов Nk;
–  ЭППЧ КТЧ ΔFk; 0,3…3,4 кГц;
– значение средних частот каналов Fi;
– защитные полосы частот между каналами Δ;

б) во временной области

- Uэф эффективное напряжение ГС

- Uпик пиковое напряжение ГС, U к-ое превосходит величину uгр(t) с заданной вероятностью ε в %

- Пф пик-фактор ГС, дБ

- ср. (пик) мощность ГС на R, дБ

- ур. ср. (пик) мощности ГС, дБ

а)

выходе М при подаче на вход КТЧ изм-го сигнала нулевого уровня (с f=800Гц и Р=1 мВт).
Согласно рек. МСЭ в РРСт: ∆fк = 50, 100, 140 или 200 кГц
в зависимости от числа каналов N.

2.Индекс ЧМ на канал, при модуляции ГС

где Sчм– крутизна модуляционной характеристики;
Ризм= 1мВт – ср.мощность измер. сигнала на R=600 Ом.

Пример, при N > 240, когда рср = -15 + 10 lg(N), дБ, в соответствии с (2) получаем

Формулы Манаева

(6)

(4)

(5)

где ∆fэф и ∆fк измеряются в кГц,
Рср– безразмерная величина, равная Рср в мВт.

Параметры многоканального ЧМ радиосигнала

где Fk= Fi – средняя частота k -го канала в спектре ГС, F в = F2 – верхняя частота ГС

(1)

(2)

(3)

Эффективная девиация ГС

3.Ширина спектра радиосигнала с ЧМ, определяется по формулам Манаева

2. Параметры радиосигналов

Пиковая девиация ГС

Δfэф = S⋅Uэф 

Δfk = S⋅Uизм

Δfпик = S⋅Uпик 

Формула Карсона

определяющим качество связи в смысле ПМУ каналов РРЛ с ЧРК-ЧМ, является отношение сигнал/шум в отдельном канале ГС.

(1)

где ΔFтч – полоса эффективно передаваемых полос частот (КТЧ -3,1 кГц);
Fk i – значение средних частот КТЧ в спектре ГС;
Δfк – эфф. девиация частоты на канал (для СП с ЧРК-ЧМ 35…200кГц);
Δfпч– полоса пропускания тракта ПЧ приемника (ширина спектра ГС).

Анализ. КТЧ, находящиеся в верхней части спектра ГС обладает худшей ПМУ (отношением сигнал/шум), чем в более низшей - закон шумового треугольника.
Выравнивание КТЧ по качеству- предыскажение. Для этого на
передаче устанавливают ПК с ЧХЗ:

(2)

Рис.1. Изменение спектральной плотности
Рш в пределах основной полосы частот ГС

Выигрыш ЧМ.
Однако в общем ПМУ ЧМС выше АМС. Так, обобщённый выигрыш за счет обработки модулированного сигнала в детекторе можно определить по формуле

Закон шумового треугольника. Коррекция качества каналов с ЧРК-ЧМ

(3)

(4)

– частота, на которой обеспечивается минимум затухания (0 дБ);

F –текущая частота.

W = 4 дБ.

< 10 Рш,

помехи в каналах резко меняют свой характер, и из «гладкого» шума превращаются в хаотическую последовательность импульсов большой амплитуды (щелчки).

Суть порогового эффекта.
В СП с ЧМ – резкое снижение уровня сигнала на выходе СП при

Суть порогопонижающих схемы основана на сужении полосы пропускания приемного тракта и соответствующем уменьшении мощности шума, а следовательно величины порога.

Методы повышения чувствительности приёмника РР СП с ЧРК-ЧМ

Рш = kTш Δfп.

Рис. 1. Зависимость уровня порога от индекса ЧМ

Рпор = 10Рш=10kTш Δfп.

(1)

(2)

(3)

(4)

времени сигналами

1. Принципы ортогонального формирования ГС с ВРК в МкСПИ

(1)

Теорема Котельникова (в англ.литературе- т.Найквиста-Шеннона или теорема отсчётов) - если аналоговый сигнал имеет конечный спектр, огр-ый по ширине верхней частотой Fв, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим отсчётам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты

Восстановление – интерполяционный ряд Котельникова

(2)

(3)

Радиосистемы передачи с ВРК

где Δ - это временной интервал дискретизации, который должен удовлетворяет ограничениям 0<Δ<1/2Fв . Мгновенные значения данного ряда есть дискретные отсчёты сигнала x(kΔ).

(ФИМ-ЧМ)

Основной показатель качества многоканальных РТС передачи- мощность шумов Рш вых.
Каналы в системах передачи с ВРК имеют одинаковое качество всех каналов.

Когерентная обработка ортогональных по времени сигналов и устройства многоканальной РТС приведены на рис. 1 и 2.

Рис.1. КГ обработка сигналов
ортогональных по времени

ВРК

 Параметры низкочастотных сигналов (ГС)

Рис. 1. Структура группового сигнала в РРЛ с ФИМ-ЧМ

Канальные импульсы (НЧ сигнал) в составе ГС передаются последовательно.

Для определения последовательности передач на приеме, в состав ГС вводится синхросигнал (СС),

Цикл (период дискретизации), Тц - длительность интервала между двумя последовательными передачами одного аналогового сигнала

Кадр (период следования импульсов ГС), Тк - интервал времени между соседними канальными импульсами при отсутствии модулирующего сигнала Тк

.

Длительность канального импульса τо - выбирается предельно малой с тем, чтобы организовать по возможности наибольшее число каналов.

Девиация временного положения канального импульса Δtm –максимальное отклонение импульса от первоначального положения. (определяет уровень шум в канале)

одного сигнала (отсчёта);

Число каналов СПИ

τ0 – длительность канального импульса, τ0 = 0,3…1 мкс (т.к. Δf с = 1/τ0 = 1….3,3 МГц);

tз – защитные временные интервалы, tз ≥.(3…5)τ0;

Δtm = 0,5mфимTк  – девиация временного положения канального импульса;
где mфим – индекс модуляции (0,3…0,6);

(2)

- период следования импульсов ГС

- общая частота следования видеоимпульсов всех каналов

паразитной девиации импульсов, вызванный напряжением помехи Uп (рис.1);

Рис.1. Природа тепловых шумов

Рк– мощность сигнала на выходе канала, соответствующая
требуемому уровню (+4,35 дБм - пересчитать);

ΔFк = 3,1 кГц – ширина спектра сигнала (ПЧ канала).

С учетом параметров канала и радиосигнала

где nш – коэффиц. шума радиоприемника (см. вариант);
k = 1,38⋅10-23 дж/град – постоянная Больцмана;
Т0 = 273 + toС, оК – температура среды, toС - реальная;
Рc вх – мощность радиосигнала на входе приемника;
Δtm – девиация временного положения канального импульса.

( 4)

( 2)

Значение входного сигнала Рс вх можно принять равным реальной чувствительности ПРМ (наихудший случай)

где – верхняя частота группового сигнала;

– полоса пропускания тракта приемника на промежуточной частоте.

радиосигналом с ЧМ

( 2)

( 1)

где τп – длительность паузы канального импульса,
τп = Тк – 2Δtm –длительность паузы импульсного потока;
Δfд – девиация частоты радиосигнала.

Радиосигнал представляет собой чередующуюся последовательность колебаний с частотами f1 и f1 соответствующих канальному импульсу и паузе. Спектр такого радиосигнала несимметричен (рис. 1).

На рисунке приняты обозначения:

f0 - центральная частота радиосигнала,
Δfp - разнос между частотами "нажатия" и "отжатия ",
Δfpс - полоса частот, занимаемая радиосигналом.

Во избежание взаимных помех в ПЧ приема

Полоса частот, занимаемая радиосигналом, определяется соотношением:

Например, при τ = 0,5 мкс и Тп = 1,7 мкс Δfpc ≈ 5 МГц.

выполняет следующие функции (задачи):
1. Формирование группового сигнала (1 этап модуляции).
2. Формирование, модуляции по частоте (2 этап модуляции) несущего колебания передатчика, его усиление по мощности и передача в антенну.
3. Прием, усиление ВЧ-сигнала корреспондента и его демодуляция (1 этап ДМ).
4. Разделение группового сигнала на канальные и перенос спектров канальных сигналов в область тональных частот (второй этап демодуляции).

Формирования ГС в СП ФИМ и ВРК

Среди известных импульсных модуляций первичного сигнала (амплитудная АИМ, частотная ЧИМ, широтная ШИМ и фазовая ФИМ) нашла фазоимпульсная модуляция. Поэтому РР СП с ВРК, которые использую ФИМ, называют ФИМ-ЧМ.
Рассмотрим преобразование в РР СП с ФИМ-ЧМ. Он представлены на рис. 2.

Достоинства РРЛ с ВРК-ЧМ:
-возможность регенерации передаваемых фазомодулируемых импульсов на РП,
-возможность комплексирования функций связи и автоматизированного управления

Недостатки РРЛ с ВРК-ЧМ:
-расширяется полоса используемых частот;
-потеря информации, содержащейся а значении амплитуды;

его в сигнал с ШИМ, а затем с помощью ФНЧ производится выделение полезного сигнала.
Устройство ДМ - на рис. 1. Пояснение работы на рис. 2. Импульсная последовательность с f=8кГц устанавливает триггер в «1» состояние. Послед-ть ФИМ осуществляет сброс триггера.

Рис. 1. Демодуляция сигнала с ФИМ

Рис. 2. Эпюры к рисунку 1

Рис. 3. Спектры сигналов с ШИМ и ФИМ

Рис. 4. Принцип ВРК в РРЛ с ФИМ-ЧМ

1): - из аналогового сигнала необходимо получить сигнал ШИМ; - из сигнала ШИМ – ФИМ.

Процесс преобразования аналогового сигнала в сигнал с широтно-импульсной модуляцией показан на рис.2.

Рис. 1. Процессы формирования ФИМ

Рис. 2 Двухсторонняя ШИМ

Сигнал с ФИМ формируется с помощью простого устройства, схема которого приведена на рис. 5. Работа устройства поясняется эпюрами, приведенными на рис. 6.

Рис. 3. Устройство формирования сигнала с ФИМ

Рис. 4. Эпюры к рисунку 3