Separacja i łączenie sygnałów cyfrowych. Komunikacja z podziałem częstotliwości Krótki opis CDMA
Schemat funkcjonalny najprostszego wielokanałowego systemu komunikacyjnego z podziałem kanałów według częstotliwości pokazano na rysunku 6.2.
Rysunek 6.2 - Schemat funkcjonalny wielokanałowego systemu komunikacji z częstotliwością
separacja kanałów
W źródłach zagranicznych terminem tym określa się zasadę podziału częstotliwości kanałów (FCD). Dostęp zwielokrotniający z podziałem częstotliwości(FDMA).
Po pierwsze, zgodnie z przesyłanymi wiadomościami, pierwotne (indywidualne) sygnały o widmach energetycznych G 1 (w), G 2 (w), ..., G N(w) moduluj częstotliwości podnośnych w K każdego kanału. Ta operacja jest wykonywana przez modulatory M 1 , M 2 , ..., M N nadajniki kanałowe. Odbierane na wyjściu filtrów częstotliwości F 1 , F 2 , ..., F N widma g K( w) sygnałów kanału zajmują odpowiednio pasma częstotliwości D w 1, D w 2, ..., D w N, które w ogólnym przypadku mogą różnić się szerokością od widm wiadomości W 1 , W 2 , ..., W N.
Prześledźmy główne etapy powstawania sygnału, a także zmianę tych sygnałów podczas procesu transmisji (rysunek 6.9).
Widma sygnałów g 1 (w), g 2 (w),..., g N(w) są sumowane (S) i ich zbiór g(w) trafia do modulatora grupowego ( M). Tutaj widmo g(w) przy użyciu oscylacji częstotliwości nośnej w 0 jest przenoszone do obszaru częstotliwości zarezerwowanego dla transmisji tej grupy kanałów, tj. sygnał grupowy s(t) jest konwertowany na sygnał liniowy s L ( t). W takim przypadku można zastosować dowolny rodzaj modulacji.
Na końcu odbiorczym sygnał linii jest podawany do demodulatora grupowego (odbiornik P), który przekształca widmo sygnału liniowego na widmo sygnału grupowego g(w). Widmo sygnału grupowego wykorzystuje wtedy filtry częstotliwości F 1 , F 2 ,...,F N ponownie podzielony na osobne paski DwK odpowiadające poszczególnym kanałom. Wreszcie demodulatory kanałów D konwertuj widma sygnału g K (w) w widma wiadomości G¢ K (w) przeznaczone dla odbiorców.
Rysunek 6.3 - Transformacja widm w systemie z podziałem częstotliwości kanałów
Znaczenie częstotliwościowej metody separacji kanałów jest następujące: rzeczywista linia komunikacyjna ma ograniczoną przepustowość, aw transmisji wielokanałowej każdemu pojedynczemu kanałowi przypisuje się określoną część całkowitej przepustowości.
Po stronie odbiorczej sygnały wszystkich kanałów działają jednocześnie, różniąc się położeniem swoich widm częstotliwości na skali częstotliwości. Aby odseparować takie sygnały bez wzajemnych zakłóceń, odbiorniki muszą zawierać filtry częstotliwości. Każdy z filtrów F K musi przejść bez tłumienia tylko te częstotliwości wОDw K, które należą do sygnału tego kanału; częstotliwości sygnałów wszystkich innych kanałów, filtr musi tłumić.
Aby zredukować przesłuchy do akceptowalnego poziomu, ochronne przedziały częstotliwości D w OCHRONA (Rysunek 6.4).
Rysunek 6.4 - Widmo sygnału grupowego z interwałami ochronnymi
W nowoczesnych wielokanałowych systemach łączności telefonicznej każdemu kanałowi telefonicznemu przydzielone jest pasmo częstotliwości 4 kHz, chociaż widmo częstotliwości przesyłanych sygnałów audio jest ograniczone do pasma od 300 do 3400 Hz, tj. szerokość widma wynosi 3,1 kHz. Pomiędzy pasmami częstotliwości sąsiednich kanałów znajdują się odstępy o szerokości 0,9 kHz, mające na celu zmniejszenie poziomu wzajemnych zakłóceń podczas filtrowania sygnału. Oznacza to, że tylko około 80% przepustowości łącza komunikacyjnego jest efektywnie wykorzystywane w wielokanałowych systemach komunikacyjnych z podziałem częstotliwości sygnałów.
Separacja częstotliwościowa sygnałów. Schemat funkcjonalny najprostszego wielokanałowego systemu komunikacyjnego z separacją kanałów według częstotliwości przedstawiono na rys. 9.2.
Prześledźmy główne etapy powstawania sygnału, a także zmianę tych sygnałów w procesie transmisji. Po pierwsze, zgodnie z przesyłanymi wiadomościami, pierwotne (indywidualne) sygnały mające widma energii G1 (ω), G2 (ω), ..., GN (ω) modulują częstotliwości podnośnych z każdego kanału. Operacja ta jest realizowana przez modulatory M 1 , M 2 , ..... , MN nadajniki kanałowe. Widma gk(ω) sygnałów kanałowych uzyskane na wyjściu filtrów częstotliwościowych Φ 1 , Φ 2 , ..., Φ N odpowiednio zajmują pasma częstotliwości Δω 1 , Δω 2 ,..., Δω N (rys. 9.3), które w ogólnym przypadku mogą różnić się szerokością od widm wiadomości Ω 1 , Ω 2 ,..., Ω N . W przypadku modulacji szerokopasmowych, na przykład FM, szerokość widma wynosi Δω k ≈2(β + 1)Ω k , przy czym OM Δω k = Ω k , tj. w ogólnym przypadku Δω k ≥ Ω k Dla uproszczenia zakładamy że OM jest używany (jak jest to zwyczajowo w systemach kablowych do komunikacji wielokanałowej z podziałem częstotliwości), tj.
Δω k = Ω i Δω = NΩ. (9.11)
Przyjmiemy, że widma poszczególnych sygnałów są skończone. Wtedy możliwe jest dobranie częstotliwości podnośnych ωk tak, aby pasma Δω 1 ,..., Δω 1 nie nakładały się parami. W tych warunkach sygnały sk (t) (k = 1,..., N) są wzajemnie ortogonalne. Następnie widma g 1 (ω), g 2 (ω),...,g N (ω) są sumowane (CS) i ich zestaw g(ω) jest podawany do modulatora grupowego (M). Tutaj widmo g(ω) jest przenoszone za pomocą drgań częstotliwości nośnej ω 0 do zakresu częstotliwości przydzielonego do transmisji danej grupy kanałów, tj. sygnał grupy s(t) jest przekształcany na sygnał liniowy s L ( t) W tym przypadku można zastosować dowolną formę modulacji.
Po stronie odbiorczej sygnał linii dociera do demodulatora grupowego (odbiornik Π), który przekształca widmo sygnału linii na widmo sygnału grupowego g(ω). Widmo sygnału grupowego jest następnie ponownie dzielone na poszczególne pasma Δωk, odpowiadające poszczególnym kanałom, przy użyciu filtrów częstotliwości Φ 1 , Φ 2 ,..., Φ N . Wreszcie, demodulatory kanałowe D przekształcają widma sygnału gk (ω) na widma wiadomości Gk (ω) przeznaczone dla odbiorców.
Z powyższych wyjaśnień łatwo zrozumieć znaczenie częstotliwościowej metody separacji kanałów. Ponieważ każda rzeczywista linia komunikacyjna ma ograniczoną przepustowość, w przypadku transmisji wielokanałowej każdemu indywidualnemu kanałowi przypisywana jest pewna część całkowitej przepustowości.
Po stronie odbiorczej sygnały wszystkich kanałów działają jednocześnie, różniąc się położeniem swoich widm częstotliwości na skali częstotliwości. Aby odseparować takie sygnały bez wzajemnych zakłóceń, odbiorniki muszą zawierać filtry częstotliwości. Każdy z filtrów Φ l musi przepuszczać bez tłumienia tylko te częstotliwości ω∈Δω k, które należą do sygnału danego kanału; częstotliwości sygnałów wszystkich pozostałych kanałów ω∉Δω k filtr powinien tłumić.
Matematycznie separację częstotliwościową sygnałów przez idealne filtry pasmowe można przedstawić w następujący sposób:
gdzie g k (t) jest odpowiedzią impulsową idealnego filtra pasmowoprzepustowego, który przechodzi przez pasmo częstotliwości Δω k bez zniekształceń. Wyrażenie (9.12) pokrywa się z (9.6) dla funkcji wagi η k (t, τ) = g k (t-τ). W dziedzinie widmowej przekształcenie (9.12) odpowiada pomnożeniu widma sygnału grupowego przez transmitancję w kształcie Π (patrz rys. 9.3).
Tak więc, z punktu widzenia możliwości całkowitej separacji sygnałów różnych kanałów, konieczne jest posiadanie takich filtrów Φk , których szerokość pasma w pełni odpowiada szerokości widma sygnału Δωk; filtr k nie powinien reagować na składowe harmoniczne poza pasmem Δωk. Oznacza to, że energia sygnałów sk jest całkowicie skoncentrowana w ograniczonej szerokości pasma Δωk przypisanej k-temu kanałowi. Gdyby oba te warunki były spełnione, to za pomocą filtrów częstotliwości możliwe byłoby odseparowanie sygnałów różnych kanałów bez wzajemnych zakłóceń. Jednak żaden z tych warunków nie jest zasadniczo niemożliwy do spełnienia. Rezultatem są wzajemne interferencje między kanałami. Powstają one zarówno z powodu niepełnej koncentracji energii sygnału k-tego kanału w danym paśmie częstotliwości Δω k , jak i niedoskonałości rzeczywistych filtrów pasmowoprzepustowych. W warunkach rzeczywistych konieczne jest również uwzględnienie wzajemnych zakłóceń pochodzenia nieliniowego, np. ze względu na nieliniowość charakterystyki kanału grupowego.
Aby zredukować przesłuchy do akceptowalnego poziomu, konieczne jest wprowadzenie ochronnych przedziałów częstotliwości Δω ochrona (rys. 9.4). Tak więc na przykład w nowoczesnych wielokanałowych systemach łączności telefonicznej każdemu kanałowi telefonicznemu przydzielone jest pasmo częstotliwości 4 kHz, chociaż widmo częstotliwości przesyłanych sygnałów audio jest ograniczone do pasma od 300 do 3400 Hz, czyli szerokość widma wynosi 3,1 kHz . Pomiędzy pasmami częstotliwości sąsiednich kanałów znajdują się odstępy o szerokości 0,9 kHz, mające na celu zmniejszenie poziomu wzajemnych zakłóceń podczas filtrowania sygnału. Oznacza to, że tylko około 80% przepustowości łącza komunikacyjnego jest efektywnie wykorzystywane w wielokanałowych systemach komunikacyjnych z podziałem częstotliwości sygnałów. Ponadto konieczne jest zapewnienie bardzo wysokiego stopnia liniowości całej ścieżki pasma podstawowego.
Separacja czasowa sygnałów. Zasada podziału czasowego sygnałów jest bardzo prosta i od dawna stosowana w telegrafii. Polega ona na tym, że za pomocą przełącznika Kln tor grupowy jest z kolei przewidziany do transmisji sygnałów każdego kanału systemu wielokanałowego*. Przy przesyłaniu ciągłych komunikatów z podziałem czasu stosuje się próbkowanie czasu (modulacja impulsów). Najpierw przesyłany jest sygnał (impuls) 1. kanału, następnie następny kanał itd. Aż do ostatniego kanału o numerze N, po czym 1. kanał jest ponownie włączany i proces jest okresowo powtarzany (ryc. 9.5).
* (W nowoczesnym sprzęcie przełączniki mechaniczne praktycznie nie są używane. Zamiast tego używają przełączników elektronicznych, wykonanych na przykład na rejestrach przesuwnych.)
Na końcu odbiorczym zainstalowany jest podobny przełącznik K pr, który z kolei łączy ścieżkę grupową z odbiornikami odpowiednich kanałów. Odbiornik każdego kanału k-ro musi być podłączony tylko podczas transmisji sygnału k-ro i wyłączony przez resztę czasu, podczas gdy sygnały nadawane są w innych kanałach. Oznacza to, że do normalnej pracy wielokanałowego systemu z podziałem czasu konieczna jest praca synchroniczna i w fazie przełączników po stronie odbiorczej i nadawczej. Często w tym celu jeden z kanałów jest zajęty do transmisji specjalnych impulsów synchronizacji zaprojektowanych do skoordynowanej pracy linii K i K pr.
Na ryc. 9.6 przedstawia diagramy czasowe systemu dwukanałowego z AIM. Nośnikiem wiadomości jest tutaj sekwencja impulsów (o okresie T0 = 1/2F max) docierających do modulatora impulsów (IM) z generatora impulsów zegarowych (GTI). Sygnał grupowy (ryc. 9.6, a) wchodzi do przełącznika K. Ten ostatni działa jako „tymczasowe” parametryczne filtry lub klucze, których funkcja przenoszenia K k (ryc. 9.6.6) zmienia się synchronicznie (z okresem T 0 ) i w fazie ze zmianami transmitancji K lane:
Oznacza to, że tylko k-ty detektor impulsów ID-k jest podłączony do toru transmisji w każdym przedziale czasu Δtk. Wiadomości otrzymane w wyniku detekcji sk(t) docierają do odbiorcy wiadomości PS-k.
Operator π k , opisujący działanie filtra kluczowego, wycina przedziały Δt k wynikające z sygnału s(t) o okresie T 0 i odrzuca resztę sygnału. Łatwo zauważyć, że można to przedstawić w postaci (9.6), jeśli
Tutaj, jak poprzednio, Δt k oznacza przedział, w którym nadawane są sygnały k-tego źródła.
W podziale czasowym wzajemne zakłócenia wynikają głównie z dwóch przyczyn. Pierwszym z nich jest to, że zniekształcenia liniowe powstające z powodu ograniczonego pasma częstotliwości i nieidealnych charakterystyk amplitudowo-częstotliwościowych i fazowych dowolnego fizycznie wykonalnego systemu komunikacyjnego naruszają impulsowy charakter sygnałów. Rzeczywiście, jeśli widmo jest ograniczone podczas przesyłania modulowanych impulsów o skończonym czasie trwania, to impulsy „rozchodzą się” i zamiast impulsów o skończonym czasie trwania otrzymamy procesy nieskończenie rozciągnięte w czasie. Wraz z separacją czasową sygnałów doprowadzi to do tego, że impulsy jednego kanału będą nakładać się na impulsy innych kanałów (ryc. 9.7). Innymi słowy, między kanałami występują wzajemne przesłuchy lub zakłócenia międzysymbolowe. Ponadto mogą wystąpić wzajemne zakłócenia z powodu niedoskonałej synchronizacji zegara po stronie nadawczej i odbiorczej.
Aby zmniejszyć poziom wzajemnych zakłóceń, konieczne jest wprowadzenie „ochronnych” przedziałów czasowych, co odpowiada pewnemu rozszerzeniu widma sygnału. Tak więc w wielokanałowych systemach telefonicznych pasmo efektywnie transmitowanych częstotliwości wynosi F = 3100 Hz; zgodnie z twierdzeniem Kotelnikowa minimalna wartość f 0 = 2F = 6200 Hz. Jednak w rzeczywistych systemach częstotliwość powtarzania impulsów dobierana jest z pewnym marginesem: f 0 = 8 kHz. Aby przesłać takie impulsy w trybie jednokanałowym, wymagana jest szerokość pasma co najmniej 4 kHz. Przy podziale czasowym kanałów sygnał każdego kanału zajmuje to samo pasmo częstotliwości, które w idealnych warunkach wyznacza się zgodnie z twierdzeniem Kotelnikowa z zależności (bez uwzględnienia kanału synchronizacji)
Δt k = T 0 /N = 1/(2F ogółem), (9,15)
gdzie Ftot = NF, co odpowiada całkowitemu podziałowi częstotliwości systemu. Chociaż teoretycznie podziały czasu i częstotliwości pozwalają uzyskać taką samą efektywność w wykorzystaniu widma częstotliwości, to jednak dotychczas układy z podziałem czasu są gorsze od układów z podziałem częstotliwości w tym wskaźniku.
Jednocześnie systemy z podziałem czasu mają niezaprzeczalną zaletę ze względu na fakt, że ze względu na różne czasy transmisji sygnału w różnych kanałach nie ma przesłuchów o nieliniowym pochodzeniu. Ponadto sprzęt z podziałem czasu jest znacznie prostszy niż podział częstotliwości, gdzie każdy pojedynczy kanał wymaga odpowiednich filtrów pasmowoprzepustowych, które są trudne do zaimplementowania w mikroelektronice. Ważną zaletą systemów podziału czasu jest znacznie niższy współczynnik szczytu. Podział czasu jest szeroko stosowany w transmisji ciągłych komunikatów z analogową modulacją impulsową, a zwłaszcza w cyfrowych systemach PCM.
Należy również zauważyć, że całkowita moc Ptot odebranego sygnału s(t) wymagana do zapewnienia określonej wierności w obecności zmiennych zakłóceń, zarówno dla podziałów częstotliwości, jak i czasu (jak również dla innych systemów z podziałem liniowym rozważanych poniżej) w idealnym przypadku N razy więcej niż moc P dla transmisji jednokanałowej z tym samym rodzajem modulacji P total = NP. Łatwo to zrozumieć, ponieważ gdy dodasz niezależne sygnały, ich moce się sumują. W rzeczywistości, z powodu przesłuchów, wierność odbioru w systemie wielokanałowym w tych warunkach jest nieco niższa niż w systemie jednokanałowym. Zwiększając moc sygnału w systemie wielokanałowym nie da się zredukować efektu przesłuchu, gdyż w tym przypadku moc tego ostatniego również wzrasta, a w przypadku zakłóceń pochodzenia nieliniowego rośnie nawet szybciej niż moc sygnału.
Separacja faz sygnałów. Rozważmy teraz zestaw sygnałów sinusoidalnych:
Tutaj informacja do przesłania jest zawarta w zmianach amplitudy Ak (modulacja amplitudy), częstotliwość nośna sygnałów ω0 jest taka sama, a sygnały różnią się w początkowych fazach φk.
Spośród zestawu N sygnałów (9.16) tylko dowolne dwa sygnały są liniowo niezależne; dowolne n>2 sygnały są zależne liniowo. Oznacza to, że przy jednej częstotliwości nośnej ω 0 o dowolnych wartościach amplitud A i i A k oraz fazach φ i i φ k można zapewnić tylko transmisję dwukanałową *.
* (Rozdział sygnałów o stałych amplitudach A i i fazach φ i omówiono w § 9.5.)
W praktyce stosuje się głównie wartość φ 2 - φ 1 = π/2:
s 1 (t) \u003d A 1 grzech ω 0 t; s 2 (t) \u003d A 2 sin (ω 0 t + π / t) \u003d A 2 cos ω 0 t, (9,17)
W tym przypadku sygnały s 1 (t) i s 2 (t) są ortogonalne, co ułatwia wdrożenie systemu i poprawia jego charakterystykę energetyczną.
Podział kodowy i demodulacja sygnałów w systemach radiokomunikacyjnych
1. ZASADA DZIAŁANIA SYSTEMÓW RADIOODTWARZACZA Z KODOWYM PODZIAŁEM SYGNAŁÓW
Zasadę działania systemu komunikacji komórkowej z podziałem kodowym można zilustrować na tak prostym przykładzie. Załóżmy, że jesteś w dużej restauracji lub sklepie, gdzie ludzie ciągle mówią różnymi językami. Pomimo otaczającego hałasu (polifonia) rozumiesz swojego partnera, jeśli mówi on tym samym językiem co ty. W rzeczywistości, w przeciwieństwie do innych systemów cyfrowych, które dzielą przydzielony zakres na wąskie kanały zgodnie z charakterystyką częstotliwości (FDMA) lub czasu (TDMA), w standardzie CDMA przesyłane informacje są kodowane, a kod jest konwertowany na sygnał szerokopasmowy przypominający szum. że można go ponownie wyodrębnić, mając kod tylko po stronie odbiorczej. Jednocześnie w szerokim paśmie częstotliwości możliwe jest przesyłanie i odbieranie wielu sygnałów, które nie zakłócają się wzajemnie. Podstawowe koncepcje implementacji Oalcomm Code Division Multiple Access to Direct Sequence Spread Spectrum, Walsh Coding i Power Control.
Szerokopasmowy odnosi się do systemu, który przesyła sygnał, który zajmuje bardzo szerokie pasmo, znacznie przekraczając minimalną szerokość pasma faktycznie wymaganą do przesyłania informacji. Na przykład sygnał o niskiej częstotliwości może być przesyłany przy użyciu modulacji amplitudy (AM) w paśmie częstotliwości, które jest 2 razy większe niż szerokość pasma tego sygnału. Inne rodzaje modulacji, takie jak modulacja częstotliwości o małej dewiacji (FM) i jednopasmowe AM, umożliwiają transmisję informacji w paśmie częstotliwości porównywalnym z sygnałem informacyjnym. W systemie szerokopasmowym oryginalny sygnał pasma podstawowego (np. sygnał kanału telefonicznego) o szerokości pasma zaledwie kilku kiloherców jest rozprowadzany w paśmie częstotliwości, które może mieć szerokość kilku megaherców. Ta ostatnia jest realizowana przez podwójną modulację nośnej przez transmitowany sygnał informacyjny i szerokopasmowy sygnał kodujący.
Główną cechą sygnału szerokopasmowego jest jego podstawa B, zdefiniowana jako iloczyn szerokości widma sygnału F i jego okresu T.
W wyniku przemnożenia sygnału źródłowego szumu pseudolosowego przez sygnał informacyjny, energia tego ostatniego jest rozprowadzana w szerokim paśmie częstotliwości, czyli rozszerza się jego widmo.
Metodę transmisji szerokopasmowej odkrył K.E. Shannon, który jako pierwszy wprowadził pojęcie przepustowości kanału i ustalił związek między możliwością bezbłędnej transmisji informacji w kanale o zadanym stosunku sygnału do szumu a pasmem częstotliwości przeznaczone do przesyłania informacji. Dla dowolnego danego stosunku sygnału do szumu, niski współczynnik błędów transmisji uzyskuje się poprzez zwiększenie przepustowości dostępnej dla transmisji informacji.
Należy zauważyć, że sama informacja może zostać wprowadzona do sygnału szerokopasmowego na kilka sposobów. Najbardziej znanym sposobem jest nakładanie informacji na sekwencję kodu szerokopasmowego pasma podstawowego przed modulacją nośnej w celu uzyskania szerokopasmowego sygnału NPS podobnego do szumu (fig. 1).
Sygnał wąskopasmowy jest mnożony przez sekwencję pseudolosową (PRS) o okresie T, składającą się z N bitów o czasie trwania r0 każdy. W tym przypadku podstawa NPS jest liczbowo równa liczbie elementów PSS.
Ta metoda jest odpowiednia dla każdego systemu szerokopasmowego, który wykorzystuje sekwencję cyfrową do rozproszenia widma sygnału o wysokiej częstotliwości.
Istotą komunikacji szerokopasmowej jest rozszerzenie pasma sygnału, przesłanie sygnału szerokopasmowego i wydobycie z niego użytecznego sygnału poprzez przekształcenie widma odebranego sygnału szerokopasmowego na oryginalne widmo sygnału informacyjnego.
Pomnożenie odebranego sygnału przez to samo pseudolosowe źródło szumu (PRN), jakie zastosowano w nadajniku, kompresuje widmo pożądanego sygnału i jednocześnie rozszerza widmo szumu tła i innych źródeł zakłóceń. Wynikowe wzmocnienie sygnału do szumu na wyjściu odbiornika jest funkcją stosunku szerokości pasma sygnału szerokopasmowego do pasma podstawowego: im większy rozrzut, tym większe wzmocnienie. W dziedzinie czasu jest to funkcja stosunku przepływności w kanale radiowym do przepływności bazowego sygnału informacyjnego. Dla standardu IS-95 współczynnik ten wynosi 128 razy, czyli 21 dB. Pozwala to systemowi działać przy poziomach zakłóceń do 18 dB wyższych niż pożądany sygnał, ponieważ przetwarzanie sygnału na wyjściu odbiornika wymaga tylko 3 dB poziomu sygnału powyżej poziomu zakłóceń. W rzeczywistych warunkach poziom zakłóceń jest znacznie mniejszy. Ponadto rozproszenie widma sygnału (do 1,23 MHz) można uznać za zastosowanie technik dywersyfikacji częstotliwości odbioru. Sygnał podczas propagacji w ścieżce radiowej podlega zanikowi ze względu na wielodrogowy charakter propagacji. W dziedzinie częstotliwości zjawisko to można przedstawić jako efekt filtra wycinającego o zmiennej szerokości pasma wycinającego (zwykle nie większej niż 300 kHz). W standardzie AMPS odpowiada to wytłumieniu dziesięciu kanałów, aw systemie CDMA wytłumieniu ulega tylko około 25% widma sygnału, co nie powoduje szczególnych trudności w odzyskaniu sygnału w odbiorniku.
2. WYKORZYSTANIE DOPASOWANYCH FILTRÓW DO DEMODULACJI ZŁOŻONYCH SYGNAŁÓW
Sygnały złożone stosowane w systemach podziału kodu, oprócz dużej bazy, charakteryzują się dużą redundancją, ponieważ wszystkie sygnały elementarne służące do transmisji jednego symbolu kodu binarnego niosą te same informacje.
Odbiór tych sygnałów, jak również odbiór dowolnych sygnałów z redundancją, może być realizowany element po elemencie lub jako całość. W przypadku systemów, w których stosuje się NPS, odbiór jako całość jest typowy. Dopiero przetwarzanie złożonego sygnału jako całości umożliwia w szczególności oddzielne odbieranie wiązek w propagacji wielodrogowej i realizację zupełnie innych zalet komunikacji przez BSS.
Odbiór NSS, podobnie jak każdego innego sygnału, odbywa się za pomocą optymalnych odbiorników, które minimalizują prawdopodobieństwo błędu. Wiadomo, że struktura optymalnego odbiornika zależy od rodzaju modulacji, a także od tego, ile parametrów sygnału jest znanych w punkcie odbioru (odbiór koherentny lub niekoherentny itp.). Jednak w każdym przypadku optymalny odbiornik zawiera korelator lub dopasowany filtr i solwer. Rozważmy użycie SF do odbioru sygnałów przypominających szum z przesunięciem fazowym PMSHPS (rys. 2), które są szeroko rozpowszechnioną odmianą złożonych sygnałów.
Dopasowany filtr (rys. 2) jest dopasowany do NPS, który przenosi informacje.
Jeżeli stosuje się NPS Uk(t), to odpowiedź impulsowa SF
gdzie a jest pewną stałą; T to czas trwania NPS.
Załóżmy, że sygnał Uk(t) służy do nadawania „1” ciągu informacyjnego, a przeciwny sygnał -Uk(t) służy do nadawania „O” (nadawanie (aktywna pauza).
Jako NPS wybierzemy kod Barkera (Ne=7). Następnie
Przebieg Uk(t) pokazano na rys.3. Dopasowane filtry mogą być analogowe lub dyskretne. Wieloczęstotliwościowe sygnały NPS przetwarzane są w wielokanałowych sygnałach SF, a dla sygnałów złożonych typu PMSHPS stosuje się sygnały SF, które zbudowane są w oparciu o wieloodczepową linię opóźniającą (MLD). Jako MLZ, odcinki kabla koncentrycznego, stosuje się ultradźwiękowe linie opóźniające wykorzystujące powierzchniowe fale akustyczne (SAW). Dyskretne analogowe SF są również znane w urządzeniach ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). Szerokość pasma MLZ nie powinna być mniejsza niż szerokość pasma widma NLS.
Jeśli w dyskretnej SF próbki są konwertowane za pomocą ADC na grupy kodów, to filtr zamienia się w cyfrową SF. Do implementacji cyfrowych SF planuje się wykorzystanie specjalizowanych dużych i bardzo dużych układów scalonych (LSI i VLSI). Dopasowany filtr ma właściwość niezmienności względem amplitudy, położenia czasowego i początkowej fazy sygnału.
Rysunek 3 pokazuje analogowy liniowy SF na MLZ. Ze względu na włączenie przesuwników fazowych (PV) pokazanych na rys. 3, taki filtr jest zgodny z sekwencją kodu Bartera (NE =7).
Podobną metodę odbioru można zastosować, gdy znany jest przebieg Uk(t), czas początku i końca interwału oraz częstotliwość nośna oscylacji RF. Jedynie początkowa faza nośnika jest nieznana, ale jest taka sama dla wszystkich elementów sygnału złożonego (rys. 2). W tym przypadku mówi się o odbiorze niespójnym ze spójną akumulacją. Niespójność odbioru wynika z faktu, że na wejście urządzenia stroboskopowego CS podawany jest nie sam sygnał, ale jego obwiednia. W ten sposób SF implementuje optymalny sposób odbierania znanego sygnału o nieskończonej fazie.
Rysunek 4a pokazuje napięcie na wyjściu SF Ucf(t), które powtarza w czasie rzeczywistym funkcję autokorelacji NPS, z którą dopasowany jest filtr. Porównanie Rys. 2 z Rys. 4a pozwala zweryfikować, czy SF ma istotny wpływ na NPS, a odpowiedź filtra, powtarzając ACF sygnału, jest mało podobna do samego sygnału działającego na wejściu SF.
Rysunek 4, 6 pokazuje napięcie na wyjściu detektora obwiedni.
Na kanały podziału częstotliwości(FDM) każda z przesyłanych wiadomości zajmuje pasmo częstotliwości standardowego kanału PM. W procesie tworzenia sygnału grupowego każdemu sygnałowi kanału przypisywane jest pasmo częstotliwości, które nie nakłada się na widma innych sygnałów. Następnie całkowita przepustowość N-channel group będzie równa . Zakładając, że stosowana jest modulacja jednowstęgowa i każdy sygnał kanału zajmuje pasmo częstotliwości, dla widma sygnału grupowego otrzymujemy
Sygnał grupowy jest konwertowany na sygnał liniowy s l (t) i jest transmitowany przez linię komunikacyjną (ścieżkę transmisji). Po stronie odbiorczej, po przetworzeniu sygnału liniowego na sygnał grupowy, ten ostatni za pomocą filtrów pasmowoprzepustowych Ф Do(patrz rys. 11.1) z szerokością pasma i demodulatorami D Do jest konwertowany na wiadomość kanału, która jest wysyłana do odbiorców wiadomości.
Do wejścia urządzenia odbiorczego i-tego kanału sygnały ze wszystkich N kanały. W celu odseparowania sygnałów bez wzajemnych zakłóceń każdy z filtrów Ф i muszą przejść bez tłumienia tylko te częstotliwości, które należą do danego i-ty kanał; częstotliwości sygnałów wszystkich pozostałych kanałów filtr Ф i musi stłumić. Ze względu na nieidealne właściwości filtrów pasmowoprzepustowych między kanałami dochodzi do wzajemnego przesłuchu. Aby zredukować te zakłócenia do akceptowalnego poziomu, konieczne jest wprowadzenie ochronnych przedziałów częstotliwości między kanałami. W nowoczesnych wielokanałowych systemach łączności telefonicznej każdemu kanałowi przydzielone jest pasmo częstotliwości 4 kHz, chociaż widmo częstotliwości przesyłanych sygnałów mowy jest ograniczone do pasma 300…3400 Hz, czyli szerokość widma sygnału wynosi 3,1 kHz. Zatem w tym przypadku = 0,9 kHz. Oznacza to, że w wielokanałowych systemach FDM efektywnie wykorzystywane jest około 80% przepustowości toru transmisyjnego. Ponadto konieczne jest zapewnienie bardzo wysokiego stopnia liniowości całej ścieżki grupowej.
Na kanały podziału czasu(TSC) tor grupowy za pomocą synchronicznych przełączników nadajnika i odbiornika jest przewidziany naprzemiennie do transmisji sygnału każdego kanału systemu wielokanałowego. Schemat strukturalny wielokanałowego systemu transmisyjnego z VRC przedstawiono na rys. 11.2.
Sekwencje modulowanych impulsów, które nie nakładają się w czasie (na przykład pod względem amplitudy) są używane jako sygnały kanałowe w systemach z TDM. Zbiór sygnałów kanałowych tworzy sygnał grupowy.
Przy podziale czasowym możliwy jest również przesłuch między kanałami, co wynika głównie z dwóch powodów. Pierwszym powodem jest niedoskonałość odpowiedzi częstotliwościowej i fazowej toru transmisyjnego, a drugim niedoskonałość synchronizacji przełączników po stronie nadawczej i odbiorczej. W celu zmniejszenia poziomu wzajemnych zakłóceń podczas TRC konieczne jest również wprowadzenie ochronnych przedziałów czasowych. Wymaga to skrócenia czasu trwania impulsu każdego kanału iw konsekwencji rozszerzenia widma sygnału. Tak więc w wielokanałowych systemach łączności telefonicznej pasmo efektywnie wykorzystywanych częstotliwości F B=3100 Hz. Zgodnie z twierdzeniem Kotelnikova o próbkowaniu minimalna wartość częstotliwości próbkowania f D = 2f V= 6200 Hz. Jednak w prawdziwych systemach wybiera się f D\u003d 8 kHz (z marginesem).
Teoretycznie TDM i FDM są równoważne pod względem efektywności wykorzystania widma częstotliwości, jednak w warunkach rzeczywistych systemy z TDM są nieco gorsze od systemów z FDM w tym wskaźniku ze względu na trudności w zmniejszeniu poziomu wzajemnych zakłóceń przy rozdzielaniu sygnały. Jednak systemy z TDM mają niezaprzeczalną zaletę ze względu na fakt, że ze względu na różne czasy transmisji sygnału w różnych kanałach nie mają przesłuchów o nieliniowym pochodzeniu. W systemach RTO współczynnik szczytu jest niższy. Ponadto sprzęt RMC jest znacznie prostszy niż sprzęt PMC. TDM znajduje najszersze zastosowanie w cyfrowych systemach transmisji z PCM.
Szczególnym przypadkiem separacji czasowej jest separacja faz sygnałów, na którym można zapewnić tylko transmisję dwukanałową.
W ogólnym przypadku sygnały zajmujące wspólne pasmo częstotliwości i nadawane jednocześnie mogą być rozdzielone, jeżeli spełniony jest warunek ich liniowej niezależności lub warunek ortogonalności.
Te wymagania są spełnione sygnały różniące się kształtem. Cyfrowe systemy wielokanałowe z separacją falową wykorzystują sekwencje ortogonalne w postaci funkcji Walsha. Uogólnienie podziału według formy, są systemy komunikacji asynchronicznej,(AACC). W takich systemach łatwo można zrealizować rezerwy przepustowości wynikające z „mało aktywnych” abonentów. Na przykład możliwe jest zorganizowanie 1000-kanałowego systemu komunikacji, w którym jednocześnie transmituje 50-100 abonentów na tysiąc.
Na łączona metoda separacji sygnał grupowy to wyświetlanie pewnych kombinacji komunikatów kanałów dyskretnych za pomocą liczb odpowiadających numerowi kombinacji. Liczby te mogą być przesyłane za pomocą dyskretnych sygnałów modulacyjnych dowolnego rodzaju. Na przykład dla kodów binarnych (m=2) i liczba kanałów N=2 komunikat grupowy może przyjmować możliwe wartości odpowiadające różnym kombinacjom zer i jedynek: 00, 01, 10, 11. Dla N systemy kanałowe będą wymagały różnych wartości modulowanego parametru (częstotliwość, faza). W ogólnym przypadku kilka parametrów nośnej może być modulowanych jednocześnie, na przykład amplituda i faza, częstotliwość i faza itp. Schemat blokowy systemu wielokanałowego z kombinacyjną (kodową) separacją (kompresja) pokazano na ryc. 11.3 .
Rys.11.3. Schemat konstrukcyjny systemu wielokanałowego z uszczelką kombinowaną
Ostatnio zainteresowanie systemami jest bardzo duże modulacja amplitudowo-fazowa(APM), które można zrealizować za pomocą schematu modulacji kwadraturowej. W systemach AFM w okresie transmisji jednego sygnału elementarnego jego faza i amplituda przyjmują wartości wybrane spośród wielu możliwych dyskretnych wartości amplitud i faz. Każda kombinacja wartości amplitudy i fazy reprezentuje jeden z wielopozycyjnych sygnałów grupowych z bazą kodu. Sygnały APM mogą być również generowane przez wielopoziomową modulację amplitudy i fazy dwóch kwadraturowych (przesuniętych w fazie) oscylacji częstotliwości nośnej.
W ostatnich latach teoria została również pomyślnie rozwinięta. struktury sygnałowo-kodowe(SKK), mające na celu zwiększenie prędkości transmisji i odporności na zakłócenia przy znaczących ograniczeniach energii i zajmowanego pasma częstotliwości. Pytania dotyczące teorii QCM omówiono w rozdziale 11.
Podczas transmisji sygnałów z kilku źródeł wiadomości konieczne staje się oddzielenie tych sygnałów, aby strona odbierająca mogła określić, do którego źródła należy każdy sygnał i wysłać go do swojego odbiornika. Podobny problem występuje podczas przesyłania elementów sygnału kodu. W telemechanice istnieją trzy główne sposoby separacji sygnałów lub ich elementów: przewodzący (obwód), czas i częstotliwość.
Na przewodząca separacja dla każdej wiadomości (lub elementu sygnału kodowego) przyporządkowany jest niezależny obwód komunikacji elektrycznej. Każdy obwód elektryczny może realizować niezależną i równoległą transmisję komunikatów. Rozważ system z separacją przewodzącą, który wykorzystuje sygnatury prądu polarnego do przenoszenia komunikatów (rysunek 2.9). Wysyłanie sygnałów z każdego źródła wiadomości odbywa się za pomocą przełączników dwupozycyjnych, w zależności od położenia których w przewodach liniowych ustawiony jest jeden lub drugi kierunek prądu stałego. Odbiorniki to spolaryzowane przekaźniki elektromagnetyczne. Transmisja informacji z każdego źródła wiadomości odbywa się osobnym przewodem, przewód powrotny jest wspólny dla wszystkich kanałów. Skrajnie nieekonomiczne wykorzystanie linii komunikacyjnych praktycznie wyklucza zastosowanie tej metody separacji w telemechanice o długościach linii komunikacyjnych powyżej 3-5 km. W systemach ze zdalnym sterowaniem stosowana jest prawdziwie przewodząca metoda separacji sygnałów.
Ryż. 2.9. Schemat przewodzącej separacji sygnałów
Na podział czasu(kompresja) sygnałów, każde ze źródeł wiadomości otrzymuje kolejno linię komunikacyjną: dla przedziału czasu t1 przesyłany jest sygnał pierwszego źródła, dla przedziału czasu t2 - drugi itd. (ryc. 2.10, a pokazuje transmisję z pięciu źródeł). Z tego rysunku wynika, że przy podziale czasu sygnał z każdego źródła zajmuje swój własny przedział czasu, nie zajęty przez sygnał z innego źródła. Czas przeznaczony na transmisję sygnałów ze wszystkich źródeł nazywamy cyklem.
Rys.2.10. Wyjaśnienie podziału czasu
a) separacja kanałów na osi czasu.
c) wdrożenie metody synchronizacji z wykorzystaniem sieci
W celu realizacji metody tymczasowej węzły nadawczo-odbiorcze urządzeń telemechaniki są kolejno podłączane do linii komunikacyjnej za pomocą urządzeń przełączających w fazie (dystrybutorów), które aktualnie pracują na elementach bezstykowych. Dla większej przejrzystości na ryc. 2.10,b przedstawia system telemechaniki z podziałem czasowym sygnałów, w którym zastosowano rozdzielacze stykowe - krokomierze (SHI). Podczas przesyłania informacji wykorzystywane są właściwości biegunowe prądu. Komunikaty z każdego źródła są określane przez położenie klawiszy sterujących, urządzenia spolaryzowane są używane jako urządzenia dekodujące po stronie odbiorczej. Przez jeden cykl działania dystrybutorów komunikaty ze wszystkich źródeł informacji są przesyłane sekwencyjnie w czasie. Urządzenia z podziałem czasu mogą pracować cyklicznie lub sporadyczne. W trybie cyklicznym systemy pracują w sposób ciągły, w trybie sporadycznie informacje są przekazywane w miarę ich akumulacji lub konieczności, przez resztę czasu dystrybutorzy są w stanie pierwotnym i nie przełączają kanałów.
Głównym warunkiem niezawodnej i dokładnej separacji sygnałów jest ścisła dystrybucja rozdzielaczy w trybie wspólnym. W tym celu systemy cykliczne wykorzystują trzy główne metody synchronizacji: wspólną sieć, cykliczną i krok po kroku.
Podczas synchronizacji ze wspólną siecią (Rys. 2.10, c) napędy rozdzielcze (PR) zasilane są ze wspólnej sieci elektrycznej o częstotliwości 50 Hz, zwanej synchronicznym źródłem zasilania. Często jako takie źródło wykorzystywana jest sieć jednego systemu energetycznego. Ta metoda może być stosowana dla stosunkowo krótkich (do 20 km) linii komunikacyjnych (CL). W tych liniach, ze względu na zmiany w obciążeniach przyłączonych do systemu elektroenergetycznego, z czasem może dojść do naruszenia zasilania wspólnego, a co za tym idzie, pracy w trybie wspólnym rozdzielaczy.
Przy cyklicznej synchronizacji napędy dystrybutorów znajdujące się po stronie nadawczej i odbiorczej są połączone ze specjalnymi generatorami impulsów sterujących dostrojonymi do tej samej częstotliwości. Jednak nawet przy dokładnym, wzajemnym dopasowaniu generatorów, niedopasowanie w pozycji dystrybutorów będzie się kumulować z czasem. Aby wyeliminować niezgodność, raz na cykl dystrybutorzy są zmuszeni do synchronizacji poprzez ustawienie ich w ich początkowej pozycji.
W synchronizacji krokowej po stronie nadawczej wykorzystywany jest generator impulsów, który przełącza oba zawory. Na każdym kroku dystrybutorów konieczne jest przesyłanie specjalnych impulsów synchronizujących.
W sporadycznym trybie pracy systemu telemechanicznego stosowana jest synchronizacja start-stop, którą można uznać za modyfikację cyklicznej.
Na podział częstotliwości(kompresja) każdemu źródłu wiadomości przydzielane jest określone pasmo częstotliwości: pierwsze źródło - pasmo częstotliwości ∆F 1, drugie - ∆F 2 itd. (Rysunek 2.11, a). Pasma częstotliwości wykorzystywane do transmisji różnych wiadomości nie nakładają się. W takim przypadku przez linię komunikacyjną przesyłane są jednocześnie sygnały ze wszystkich źródeł wiadomości. Na ryc. 2.11b przedstawia schemat blokowy systemu podziału częstotliwości do przesyłania sygnałów binarnych. Wiadomość z każdego źródła jest przesyłana wzdłuż linii sygnałami sinusoidalnymi o określonej częstotliwości f tworzonymi przez generatory G. Brak wysyłania oscylacji odpowiedniej częstotliwości oznacza 0, wysyłanie oscylacji - 1. Oscylacje są sumowane w linii komunikacyjnej. Odseparowanie przesyłek od źródeł komunikatów odbywa się po stronie odbiorczej za pomocą filtrów pasmowoprzepustowych PF, których wyjścia są połączone poprzez prostowniki B z przekaźnikami wykonawczymi R.
Rys.2.11. Objaśnienia dotyczące częstotliwościowej metody separacji sygnałów
a) lokalizacja kanałów na osi częstotliwości
b) schemat funkcjonalny systemu
Literatura
1. Strygin W.W. „Podstawy automatyki i techniki komputerowej”. M. Szkoła Wyższa. 1977
2. Gritsevsky P.M. itp. „Podstawy automatyki, technologii impulsowej i komputerowej”. M. Radio i komunikacja. 1987
3. Chekvaskin A.N. itp. „Podstawy automatyzacji”. M. Energia. 1977
4. Gordin V.S. itp. „Podstawy automatyki lotniczej”. M. Oboronizda. 1972
5. Askerko V.S. itp. „Podstawy automatyki lotniczej”. M. Oboronizda. 1972
6. Shishmarev V. Yu "Typowe elementy systemów automatycznego sterowania". Wydanie IV M.: Centrum Wydawnicze „Akademia”, 2009.
7. Kelim. Yu M. Typowe elementy układów automatyki. M.: FORUM: INFRA-M, 2002.
1. Temat 1.1. Podstawowe pojęcia automatyki……………………………………….…3
2. Temat 1.2. Przetworniki pomiarowe (czujniki)………………………9
3. Temat 1.3. Przekaźniki elektryczne………………………………………………..28
4. Temat 1.4. Wzmacniacze magnetyczne………………………………………………..32
5. Temat 1.5 Typowe połączenia dynamiczne systemów automatyki………....39
6. Temat 1.6. Trwałość i jakość systemu automatycznego………..43
7. Temat 2.1. Układy zdalnej transmisji przemieszczeń kątowych na prąd przemienny……………………………………………………………….…..48
8. Temat 2.2 Systemy śledzenia prądu przemiennego…………………………………...51
9. Temat 2.3 Telemechaniczne systemy automatycznego sterowania i monitorowania……………………………………………………………………………….53