Курсова работа

по

Авиационни комуникационни и

информационни системи

на тема:

“Предаване на аналогови, дискретни и

цифрови сигнали. Предаване на непрекъснати

сигнали в импулсни и цифрови свързочни

системи.”

Изготвил:

Студент: Габриела Красимирова Василева

Фак. № 141208060

Курс IV Гр.71

Предаване на аналогови, дискретни и цифрови сигнали.

Предаване на непрекъснати сигнали в импулсни и

цифрови свързочни системи.

Сигналите, използвани за пренасяне на информация са с малка честотни трептения

с малка амплитуда. При предаването им на големи разстояния в атмосферата те бързо

затихват, като възстановяването им в приемника е твърде сложен процес. В същото

време сигналите от високочестотния обхват могат да се разпространяват на големи

разстояния в ефира с по- малко затихване. Тогава за предаването на звукови сигнали

по съобщителен канал е необходимо те да бъдат усилени и да се пренесе спектъра им

в областта на големите честоти, без да се допускат съществени изкривявания. Тези

процеси се наричат модулация.

I. Предаване на аналогови сигнали.

Предаването на аналогови сигнали става чрез процеса модулация – пренасяне

на спектъра на сигнала, носител на информация във високочестотната област. Това се

постига чрез изменение на параметрите на високочестотен сигнал, наречен носещ, под

въздействието на сигнала, носител на информация, наречен модулиращ. Понятието

"високочестотна област" е относително и само изразява зависимостта:

f0 >> FМ, където: -f0 е честотата на носещия сигнал;

-Fм e честотата на модулиращия сигнал.

Основното уравнение за модулиран сигнал е:

S(t)=Akcos(ωct + ϕ), където: -Ak - амплитудата на сигнала;

-ωct - честотата на сигнала;

-ϕ - началната фаза.

За формирането на различни видове модулации е необходимо да се измени

един от параметрите на носещия сигнал. В зависимост от изменяния параметър

съществуват следните видове модулации:

Амплитудна модулация (АМ) — при нея се променя амплитудата

на носещия сигнал;

Честотна модулация (ЧМ) — променя се честотата на носещия

сигнал;

Фазова модулация (ФМ)— променя се положението на

синусоидите на носещия сигнал. Много близка до честотната модулация;

Импулсна модулация — при нея носещият сигнал се излъчва под

формата на поредица от импулси и се променят параметрите на тази

поредица (амплитуда, честота, фаза, широчина). Различаваме:

Амплитудно-импулсна модулация (АИМ)

Честотно-импулсна модулация (ЧИМ)

Фазово-импулсна модулация (ФИМ)

Широчинно-импулсна модулация (ШИМ)

Импулсно-кодова модулация (ИКМ)

Делта модулация

1. Амплитудна модулация (АМ)

АМ е класически метод за модулация със слабо или почти никакво приложение

в съвременните комуникации. При нея информацията за амплитудата на

модулиращият сигнала се носи в амплитудата на модулирания сигнал. Въвежда се

основен параметър m – дълбочина на AM модулацията. Оптималната стойност е m ~

0.5.

Основното преимущество на АМ модулацията е, че тя има най-тясната възможна честотна лента на модулиран сигнал (ако m< 1). От друга страна, обаче, тя е най-слабо защитеният вид модулация в комуникационния канал, податлив на всякакъв вид смущения. По тази причина днес тя не се използва в чист вид за пренос на информация по комуникационен канал.

М << 1 - слаба АМ модулация М ~ 1 - дълбока АМ модулация М > 1 - “премодулация” Честотната лента на АМ е относително малка при М < 1. Ако М > 1

(премодулация), честотната лента нараства силно, появяват се силни паразитни сигнали извън лентата. АМ модулацията е имала (и още има) място в радио разпръскването на дълги, средни и къси вълни.

На фигура 5.2.1 са показани

-носещият сигнал,

-управляващият сигнал и

-формата на получения амплитудно-

модулиран сигнал.

Амплитудите на носещия сигнал и управляващия сигнал са еднакви и равни на

U0М/2.

На фигура 5.2.2 е показан

спектърът на амплитудно-

модулирания сигнал при модулиращ

сигнал с честотата Ω. От диаграмата се

вижда, че ширината на спектъра на

модулирания сигнал е ВАМ =2Ω.

В практическите случаи

коефициентът М < 1. Когато М > 1,

обвивката на носещия сигнал не

съответства по форма на управляващия

сигнал и това е причина за появата на

нелинейни изкривявания.

При радиоразпръскването с амплитудна модулация амплитудата на предавания

сигнал е пропорционална на амплитудата на звука, приеман от микрофона, а честотата

на предаването остава непроменена. Такива предавания са сравнително неустойчиви,

тъй като мълнии и други източници на радиоизлъчване със същата честота добавят

своите амплитуди към първоначалната амплитуда на предавателя.

2. Честотна модулация (ЧМ, FM)

Тук също се въвежда параметър дълбочина на FM модулацията М, който е отношението на честотната девиация ∆fp и разстоянието между честотната съставка fm,

която зависи от динамичния обхват на модулиращият сигнал. От него се определя и честотната лента на FM сигнала.

Честотната модулация е друг класически метод за модулация със сериозно

приложение в аналоговите комуникации. При нея информацията за амплитудата на

модулиращият сигнал се носи в честотата на модулирания сигнал (при FM; фазовата

модулация PM е обобщение на FM, при която информацията е включена във фазовото

отместване). В сравнение с AM, FM сигналът има по-широка лента, която трябва да се

ограничава (т.е., има изкривяване). Но тя осигурява значително по-високо качество на

сигнала при относително прости приемници (по-прости от тези за PM модулация) и

ефективно използване на мощността на предавателите. FM модулация се използва за

качествено радио и телевизионно разпръскване (напр. стерео FM радиостанции).

Използва се в мобилните 1G мрежи с FDMA тип на достъпа до канала. Честотната

модулация се характеризира с изменение на честотата на носещата функция с

постоянна амплитуда в съответствие със закона за изменение на полезното съобщение.

Честотната модулация е с най-характерно приложение в системите за

радиоразпръскване на ултракъси вълни (УКВ) в честотния обхват от 30МНz до 300МНz.

При тази модулация честотата на носещото трептение се изменя в съответствие с

управляващия сигнал, т.е.

ω(t) = ω0 + k0uc(t), където - k0 е коефициентът на преобразуване с

размерност V/Hz.

На фигура 5.2.5 са показани

-носещото трептение u0(t),

-управляващият синусоидален

сигнал uΩ(t) и

-честотно-модулирано трептение

uFM(t).

На положителните нараствания на управляващия сигнал отговарят по – големи

стойности на честотата и обратно. Индексът на фазовата модулация не зависи от

честотата.

Съществуват два основни метода за формиране на сигнали с непрекъсната ЧМ:

пряк метод и косвен метод. При прекия метод модулиращият сигнал непосредствено

изменя носещата честота. За тази цел се използва опорен генератор, на който един от

реактивните елементи се изменя пропорционално на модулиращия сигнал.

При косвения метод модулиращият сигнал се интегрира и след това се подава

на фазов модулатор. Този метод се използва често вследствие несложното получаване

на сигнали с ФМ.

Следователно, както носещата честота, така и индексът на модулацията на

изходния сигнал се увеличават два пъти в сравнение с входния сигнал.

Радиоразпръскването с честотна модулация предава звука с по-голяма точност и

надеждност. При него амплитудните промени в микрофона предизвиква промени в

честотата на излъчвания сигнал, поради което той не е толкова чувствителен. За сметка

на това сигналът има нужда от по-широк интервал от честотния спектър и той се

излъчва в УКВ интервала (30-300 MHz). УКВ вълните имат свойства, близки то тези на

светлината – разпространяват се по права линия. По тази причина обхватът на

излъчване е ограничен до 100-150 km, освен при определени краткотрайни състояния

на горните слоеве на атмосферата, когато УКВ сигналът може да бъде отразен от

йоносферата към земята. УКВ приемниците демодулират само най-силният от

сигналите, приемани на дадена честота.

3. Фазова модулация (ФМ, PM)

Сигналите с фазова модулация се получават при изменение на фазата на носещото трептение в зависимост от управляващия сигнал. За разлика от честотната модулация (FM), фазовата модулация не е толкова широко използвана за радио трансмисии. Това е, защото тя изисква по – комплексен приемник. РМ е използвана в цифровите музикални синтезатори, въпреки че тези инструменти обикновено са посочени като "FM" синтезатори.

На фигурата са показани

управляващият сигнал, с

плътна линия е озна-

чено носещото трепте-

ние, а с прекъсната

линия - модулираното

трептение. При поло-

жителни стойности на

управляващия сигнал

модулираното трепте-

ние изпреварва носещото, а при отрицателни стойности на управляващия сигнал,

модулираното трептение изостава спрямо носещото.

Наблюдава се сгъстяване и разреждане на графиката с прекъсната линия, а това

означава, че фазовата модулация се съпровожда с честотна модулация. Обратното

също е вярно.

4. Импулсна модулация

Като носещ сигнал може да се използва и редица от правоъгълни импулси. Това е т. нар. импулсна модулация (Pulse modulation). Информацията може да се носи в амплитудата, ширината или фазата на импулса.

Параметрите на носещото трептение са амплитуда 0A , ИT – периодът на

повторение на импулсите и Иt – продължителността (широчината) на импулсите. При определяне на периода на повторение на импулсите се изхожда от теоремата на

Котелников m

Иf2

1T , където mf е горната гранична честота на управляващия

сигнал.

Според това, кой от параметрите на импулсната поредица се изменя в зависимост от управляващия сигнал, се различават амплитудно-импулсна модулация (АИМ) - изменя се амплитудата на импулсите в зависимост от управляващия сигнал, широчинно-импулсна модулация (ШИМ) - изменя се широчината на импулсите в зависимост от управляващия сигнал ( има две разновидности: едностранно ШИМ – единият от фронтовете се изменя, а другият не изменя положението си, поради това се изменя и фазата на импулсите в зависимост от управляващия сигнал; двата фронта се изменят симетрично в зависимост от управляващия сигнал и честотно-импулсна модулация (ЧИМ) - изменя се честотата на повторение на импулсите в зависимост от управляващия сигнал, както е показано на фигурата. Импулсно-кодовата модулация (PCM; Pulse Code Modulation) е начин за преобразуване на аналогов сигнал в цифров (обикновено в бинарен код) чрез две стъпки: дискретизация на нивата на аналоговия сигнал чрез равномерни отчети (sampling) и квантуването на тези нива към серия от символи. Квантуването може да стане по линеен или логаритмичен закон (A- или µ-закон).

На фигурата са показани -управляващият сигнал и -носещото трептение. -амплитудно-импулсна модулация -широчинно-импулсна модулация -честотно-импулсна модулация

Импулсно-кодова модулация (ИКМ) (от англ. Pulse-code modulation (PCM)) е метод за цифрово представяне на семплирани аналогови сигнали, изобретен от Алек Рийвс през 1937 година. ИКМ е стандартизиран формат за цифров звук и се използва за заспиването и съхранението му в компютрите, блу-рей, DVD и аудио дисковете, както и за пренос на гласови данни. При този процес аналоговият сигнал

бива семплиран (анализиран) на равни интервали от време и използвайки квантизация се отчита и записва неговата моментна стойност.

Качеството на цифровизирания звук зависи от два компонента: честота на дискретизация и разделителна способност измерена в битове. Честотата на дискретизация е броя пъти измервания на стойността в секунда, а разделителната способност определя колко бита големи може да са стойностите, които приема даден семпъл.

Делта модулация

Тя е вид ИКМ и се заключва в това, че се предава не информация

за абсолютните стойности на отделните дискрети, а само за знака на

нарастването на функцията . Поради това делта модулацията е система,

използваща предаване на развитието на функцията (въз основа на

предишната й стойност).

Непрекъснатата функция се сравнява във всяка тактова точка със

стъпалната крива, която се получава от сумирането на всички стандартни

нараствания (равни на стъпката на квантоване) от началния момент до

момента , съответствуващ на точката на сравнение.

Делта модулацията се различава съществено от останалите видове

импулсна модулация. Тя се използва основно за компресиране на

информацията — намаляване на обема к.

Цифровата модулация (или манипулация) е метод за преобразуване на цифровия модулиращ сигнал във високочестотен аналогов модулиран сигнал, подходящ за предаване в комуникационните канали, чрез стъпално изменение (SK, Shift Keying) на амплитудата, честотата и/или фазата на носещия сигнал (ASK,FSK, PSK). Това са най-използваните модулации в съвременните комуникации. В повечето случаи при тази модулация се търси най-ефективното използване на спектъра (т. е. максимум пренесени битове за 1 Hz). Важен параметър се явява BR (Band Rate): BR = Rb/BWSK ,BWSK – честотна лента на модулирания цифров сигнал. По принцип, обаче, тези сигнали изискват по – широка честотна лента и, следователно, необходими са допълнителни обработки за стесняване на спектъра (напр. филтриране). Последното, обаче, води до нежелани ефекти: паразитна AM модулация и между – символна интерференция.

II. Предаване на дискретни сигнали.

При предаване към и от сателит е необходимо цифровия сигнал да бъде модулиран около микровълнова носеща честота. Цифровите сигнали могат да бъдат М-мерни, което изисква мултилевелни модулационни методи.

Манипулираните сигнали се отличават по това, че носещото трептение е непрекъснато, а модулиращият сигнал – дискретен. Манипулациите се използуват преди всичко за пренасяне на информация в системите за телеизмервания, телеуправление, телеграфните, телефонните съобщения и др.

-Информационен сигнал -Носещ сигнал -Амплитудна манипулация -Честотна манипулация -Фазова манипулация

1. Амплитудна манипулация (АМН - Манипулация с включване – изключване).

АМН е най-простият метод за цифрова модулация, но тя не се използва

самостоятелно в модерните комуникации. Тук има проблеми при предаване на дълги редици от битове “0”, защото не може да се направи разлика между нулева редица и изключване на предавателя или силно затихване на сигнала. В чист вид тя се ползва само в оптичните комуникационни пръстени (OOK - On/ Off Keying). Най-често се комбинира с фазова модулация.

При амплитудната манипулация носещото трептение е хармонично. Неговата амплитуда се изменя скокообразно в съответствие с измененията на модулиращия сигнал, който има импулсен характер. Например при използването на кода на Морж се налага да се предават сигнали, които съответстват на точки и тирета. Интервалите от време за двата символа се запълват с носещото трептение, а в паузите неговата амплитуда е равна на нула.

-Модулиращ сигнал и -манипулирано трептение.

На фигурата са дадени графиките на модулиращия сигнал и манипулираното трептение при предаването на буквата а (точка, пауза и тире). Импулсите се предават по линията за връзка евентуално с електромагнитни вълни в свободното пространство). Манипулираният сигнал е защитен от смущения по-добре от сигнала с непрекъсната амплитудна модулация.

-Модулиращ сигнал, кодиран чрез двоичен код и -манипулирано трептение.

На фигурата са дадени графиките на модулиращ сигнал, кодиран чрез двоичен код и манипулирано трептение. Сигналът с амплитудна манипулация може да се представи аналитично по следния сравнително прост начин:

ААМН (t) = A (t) cos ω0 (t) A (t) = A0 при двоичен символ ‘1’

A (t) = 0 при двоичен символ ‘0’

Символите могат да бъдат и импулси с различна полярност. Амплитудната манипулация може да бъде многократна. Например при 4 АМН

се използват четири нива и чрез всяко от тях се предават два символа: нулево - 00, първо - 01, второ - 10, трето - 11 (възможно е и друго съответствие!).

2. Честотна манипулация (ЧМН). Честотната манипулация се използва значително по – често. При нея битовете “0”

и “1” се предават с две честотни състояния на сигнала f1 < f2. Тук амплитудата на сигнала остава постоянна, но проблем е бързото превключване между двете честотни състояния. Има техники за намаляване на честотната лента на FSK модулацията.

-Модулиращ и -модулиран сигнал.

На фигурата са дадени графиките на модулиращия и модулирания сигнал. Съобщението е кодирано с двоичен код. На символа 0 съответства честотата ω1, а на символа 1 – ω2. Доказано е, че честотната лента на честотно – манипулирания сигнал е много по – широка в сравнение с лентата на амплитудно манипулирания сигнал.

По подобие на системите с непрекъсната честотна модулация и системите с честотна манипулация са по-устойчиви срещу смущение в сравнение със системите за амплитудна модулация и амплитудна манипулация.

3. Фазова манипулация (ФМН).

Фазовата манипулация е най – използваната съвременна модулация в съвременните и бъдещите комуникации. В най-простия случай тя се базира на 180О превключване на фазата на сигнала при предаване на логически “0” и “1”. Тук освен амплитудата, честотата също остава постоянна. Основна е промяната на фазовото състояние на сигнала, което се установява сравнително просто.

-Модулиращ сигнал и -сигнал с фазова манипулация.

На фигурата са показани графиките на модулиращия сигнал и на сигнала с фазова манипулация. Фазата се променя със 180° при преминаване от символ "0" към символ "1" и обратно, т.е. двукратно. По тази причина конкретното название е двукратна фазова манипулация (2ФМН). Сигналът А2ФМН(t) се описва с :

А2ФМН(t) = А0 sin ωt при двоичен символ ‘0’

А2ФМН(t) = А0 sin (ωt + π) при двоичен символ ‘1’

Всяко от двете фазови състояния отговаря на един символ, което означава, че е носител на количество информация 1 bit. Състоянията се разпознават през всеки интервал от време, които съответства на един символ.

Фазовите състояния могат да бъдат и повече въпреки някои трудности и недостатъци. Например при четири фазови състояния, които се редуват през 90°, се осъществява четирикратна фазова манипулация (4ФМН). Тя е получила широко разпространение. Четирите възможни състояния в този случай носят по два бита информация. Измененията на модулирания сигнал могат да се представят чрез функцията:

сos (ω0t + ϕ) = cos ϕ cos ω0t – sin ϕ sin ω0t. (1)

Носител на информацията е ъгълът ϕ, а на комбинацията 00 съответства ϕ = π/4. Явно е, че cos ϕ и sin ϕ имат определени стойности за различните кодови комбинации и те са равни на √2 ≈ 0.707, но с различни знаци. При това условие (1) може да се използва за представянето на манипулираното трептение, като чрез отрицателни

стойности се изразяват нули, а чрез положителни - единици. Първият член на (1) ще съответства на първия разред, а вторият - на следващия разред от комбинацията. Като се използва (1) манипулираното трептение може да се представи със израза :

А4ФМН(t) = A0 cos ω0t + B0 sin ω0t, (2) където A0 и B0 имат стойност - 1 или +1 в зависимост от символите 0 и 1 на съответната кодова комбинация.

Използването на трептенията, изразени чрез функциите cos ω0t и sin ω0t е дало основание четирикратната фазова манипулация да бъде наречена квадратурна фазова манипулация.

Изразът (2) е свързан с получаването на сигнали при тази модулация. Чрез него и векторната диаграма на фигурата може да се изрази изменението на манипулирания сигнал във времето.

Изменението на манипулирания сигнал във времето.

Изменението на манипулирания сигнал във времето.

Това е показано на фигурата. Графиката е значително опростена за по-голяма

прегледност. Първата комбинация 00 е изразена с нулева начална фаза и отрицателна стойност на първия полупериод. На втората комбинация 11 съответствува изменение на ъгъла със 180° спрямо фазата на трептението по време на първата комбинация. Разликата между фазите на трептението на втората и третата комбинация (11 и 10) 90° и т.н. Вижда се, че чрез едно изменение на фазата се предават два символа, т.е. може да се увеличи бързодействието, но това е свързано с определени неудобства. При определянето на спектъра може да се подходи, както и при непрекъснатата фазова или честотна модулация. Установява се, че около носещото трептение се формира широка честотна лента. Фазовата манипулация е устойчива срещу смущения. Тя се използва в много от системите за пренасяне на дискретни съобщения.