Фазова маніпуляція (PSK-phase shift keying)

Фазова маніпуляція була розроблена на початку розвитку програми досліджень дальнього космосу. Зараз ФМ широко використовується в комерційних і військових цілях. Фазово-маніпульований сигнал має наступний вигляд:

Аналітично: S_i(t)= *cos [ω₀t +φ_i(t)]

i=1, 2,…,М, 0 t T

Графічно:

φ(t) може приймати М дискретних значень.

В даному випадку робота схеми модуляції полягає в зміщенні фази модульованого сигналу S(t) на одне з двох значень – 0 або π(180⁰).

Частотна маніпуляція (FSK – frequency shift keying)

Аналітично: S_i(t)= *cos [ω_іt +φ] i=1, 2,…,М, 0 t T

Графічно:

Тут частота ω_і може приймати М дискретних значень, а фаза φ являється довільною константою. В момент зміни символів ми маємо зміну частоти.

Амплітудна маніпуляція (ASK – amplitude shift keying)

Аналітично: S_i(t)= *cos [ω₀t +φ] i=1, 2,…,М, 0 t T

Тут амплітуда може приймати М дискретних значень, а фаза – константа. Тут М=2 , що відповідає двом типам сигналів.

Квадратурна фазова маніпуляція (QPSK – quadrature phase shift keying)

При цій маніпуляції замість зсуву фази на 180⁰ як при фазовій маніпуляції використовуються зсуви фаз кратні ( ), 90⁰.

*cos (ω₀t + ) 11

S_i(t)={ *cos (ω₀t + ) 10

*cos (ω₀t + ) 00

*cos (ω₀t + ) 01

В даному випадку кожне сигнальне відправлення виражає не один біт, а два. Описану схему можна розширити - передавати по три біти в кожному відправленні. Для цього треба використати вісім різних кутів зсуву фаз. Більше того, при кожному куті можна використовувати декілька амплітуд.

В стандартному модемі, який має швидкість 9600 біт/с, використовується 12 кутів зсуву фаз. При цьому при чотирьох з них використовуються сигнали двох різних амплітуд.

В системах зв’язку існує різниця між швидкістю передачі даних R (в бітах/с) і швидкістю модуляції (в бодах) сигналу.

Нехай в кожному сигнальному відправленні кодованого сигналу є b=4 біти. Для цього використовують 16 різних комбінацій амплітуди і фази.Відповідно швидкість модуляції дорівнює R/4. Значить швидкість передачі сигналу =9600/4=2400 бод, а швидкість передачі даних =9600 біт/с.

Таким чином, використовуючи складні схеми модуляції можна досягнути високих швидкостей передачі даних по телефонних лініях.

Аналітично:

D= =

D – швидкість модуляції, бод;

R – швидкість передачі даних, біт/с;

L – число сигнальних відправлень;

b – число бітів в сигнальному відправленні

Лекція № 11

Аналіз каналу зв’язку

1.Бюджет каналу зв’язку.

Канал являє собою тракт зв’язку, який починається з інформаційного джерела, проходить всі етапи кодування і модуляції, передавач, фізичний канал, приймач зі всіма етапами обробки і завершується на отримувачі інформації.

Бюджет каналу – це розрахунок балансу втрат і прибутків. Це метод оцінки який дозволяє визначити достовірність передачі системи зв’язку. Необхідна достовірність передачі визначає значення.Ев/No, яке повинно бути доступним в приймачі для отримання цієї достовірності.

Основна задача аналізу каналу зв’язку – це визначити дійсно робочу точку системи на графіку і встановити, що ймовірність помилки,що зв’язана з цією точкою менша, або рівна необхідній.

Po

Xo

Рв – це ймовірність появи помилкового біту

Ев – енергія біту

No – спектральна густина потужності шуму

R – швидкість передачі бітів

W – ширина смуги

S/N – співвідношення сигнал/шум

Бюджет каналу зв’язку може показати чи існують апаратурні обмеження і чи можна їх компенсувати за рахунок інших частин каналу. Бюджет помагає передбачити вагу і розмір обладнання, початкові енергетичні вимоги, технічні ризики і вартість системи.

2.Канал

Середовище поширення або електромагнітний тракт зв’язку, що з’єднує передавач і приймач називається каналом. Канали можуть складатися з провідників, коаксіальних і оптоволоконних кабелів, хвилеводів, атмосфери і відкритого простору. Для більшості наземних каналів зв’язку простір каналу проходить через атмосферу. Для супутникових каналів – через відкритий простір. Основна частина атмосфери лежить нижче 20км. Відповідно при супутниковому зв’язку на атмосферу припадає тільки 0,05% загальної довжини каналу (35800 км).

3.Атмосферні завади і шум атмосфери.

Локальні максимуми поглинання розміщені біля 22ГГц (водяна пара), 60 і 120ГГц (О₂).

α

10³

10²

10¹

1

10^-1

10^-2

10^-3

1 2 5 10 20 50 100 200 ГГц

0км – рівень моря, густина водяної пари 7.5г/м .

Молекули кисню і водяної пари випромінюють шум на всьому спектру радіочастот. На цьому графіку показано теоретичне вертикальне одностороннє поглинання від заданої висоти до верхньої границі атмосфери. Злива являється основною атмосферною причиною послаблення сигналу. Молекули води, які поглинають енергію також і випромінюють енергію, звідси і виникають шуми.

4.Дистанція рівняння.

Основна задача бюджету каналу зв’язку – доказати, що система буде працювати добре, тобто якість повідомлень буде відповідати заданим вимогам. Процес обрахунку бюджету каналу починається з дистанційного рівняння, яке повязує прийняту потужність з віддалю між передавачем і приймачем. Нехай ми маємо зображений випромінювач:

P(d) =

P =p(d)A
Рt – потужність що випромінюється(джерело випромінювання)

4пd – площа поверхні сфери

P(d)- густина потужності

P - потужність на приймальні антені

А - січення захоплення, або сферична площа приймаючої антени

- ефективна площа

- фізична площа

Номінальне значення n для параболічної антени 0,55, а для рупорної 0,75.

Визначимо параметр антени, який зв’язує вихідну потужність з потужністю ізотропного випромінювача і називається коефіцієнтом направленої дії(КНД).

Графічно:

ширина променя антени

Ефективна потужність, що випромінюється відносно ізотропного випромінювача.

Нехай ми маємо два типи антен:

G_t=1

P =100Bт

P =0,1Bт

1)

2)

Напруженість поля буде однакова.Прийнята потужність визначиться:

Зона огляду антени дорівнює величині тілесного кута, в якому сконцентрована більша частина потужності поля. Часто зону огляду виражають через кут розкриття антени, який вимірюється в радіанах, або градусах(θ).

Θ – це кут де max P ослаблена на 3dБ.

Якщо G=1 то

Для при ізотропній приймаючій антені :

- втрати в тракті

Якщо антена направленна, то

Це рівняння називається дистанційним.

З попереднього рівняння видно, що втрати в тракті залежать від довжини хвилі, або частоти.

В системах радіозв’язку втрати в тракті – це найбільше джерело ослаблення потужності сигналу. В супутникових системах втрати в тракті каналу в смузі С (6ГГц) складають як правило 200 dБ

Лекція №12

Супутникові ретранслятори

Супутникові ретранслятори повторно передають всі отримані повідом-лення з трансляцією на несучій частоті.

Регенеративні цифрові ретранслятори перед повторною передачею регенерують, тобто демодулюють і відновлюють цифрову інформацію,що

закладена в прийнятий сигнал.Нерегенеративні ретранслятори тільки підси-

люють і повторно передають повідомлення.Відповідно нерегенеративний ретранслятор може використовувактися з різними форматами модуляції,а

регенеративний проектується для роботи тільки з одним форматом модуляції.

В процесі аналізу каналу зв”язку для регенеративного супутникового

ретранслятора канали ,,Земля-супутник” і ,,Супутник-земля” розглядаються

окремо.Для розрахунку загальної ймовірності бітової помилки необхідно окремо визначити ймовірність появи помилкового біту в кожному каналі окремо:

P_b=P_u+ P_d –для малих значень Р.

u-uplink-,,Земля-супутник”,

d-downlink-,,Супутник-земля”.

Загальна ймовірність точної передачі біту

P_c=(1-P_u) (1-P_d) + P_uP_d.

Загальна ймовірність появи помилкового біту

P_b=1-P_c=P_u+ P_d -2P_uP_d.

1.Нерегенеративні ретранслятори

Аналіз каналу зв”язку нерегенеративного ретранслятора-це аналіз пов-

ного обороту сигналу,тобто передача на супутник і ретрансляція на наземний пристрій.Такі ретранслятори ще називають транспондерами.

Можливості супутникового транспондера обмежені потужністю каналу

,,Супутник-земля”, потужністю наземного пристрою, який подає сигнал в канал ,,Земля-супутник”, шумом супутника і наземної станції, а також шириною смуги каналу.Як правило основні обмеження накладає один з цих

параметрів.Доволі часто-це потужність каналу ,,Супутник-земля”, або ширина смуги каналу.

Схематично нерегенеративний супутниковий ретранслятор можна

зобразити наступним чином:

G-КНД-коефіцієнт направленої дії антени,

N_sW-потужність шуму в каналі ,,Земля-супутник”.

Ретранслятор передає всі сигнали каналу ,,Земля –супутник” без обробки за виключенням підсилення і трансляції по частоті.Допустимо, що в

межах смуги приймача W існує багато каналів ,,Земля-супутник”, що використовуються одночасно.Їх розділення проводиться за допомогою тех-

нології FDMA.Така технологія дістала назву множинний дотуп з частотним

розділенням каналів.

Між користувачами, що використовують сумісно нерегенеративний транспондер повинна існувати взаємна домовленість, що вони не будуть пе-

ревищувати домовлену потужність.Якщо один з користувачів вирішить збіль

шити потужність свого сигналу, то результатом буде покращення рівня сигналу цього користувача за рахунок сигналів інших користувачів.

Також слід відмітити, що для таких ретрансляторів шум каналу ,,Земля-

супутник” входить в канал ,,Супутник-земля”.Це являється відмінною особ-

ливістю нерегенеративних ретрансляторів.Більшість комерційних супутникових транспондерів являються нерегенеративними.

Для регенеративних ретрансляторів канали ,,Земля-супутник” і ,,Супутник-земля” розділяються і шум з першого каналу не переходить в

другий. В таких ретрансляторах можна здійснювати обробку даних. В них

можна значно покращити значення E_b/N₀.

2.Нелінійне підсилення ретрансляторів

В більшості супутникових систем зв”язку потужність обмежена і неефективність зв”язану з каскадами лінійного підсилення долати дуже дорого.По цій причині багато супутникових ретрансляторів використовують

нелінійні підсилювачі потужності.При цьому ефективне підсилення відбуваєтья за рахунок спотворення сигналу, що викликане нелінійністю.

Основні недоліки нелінійних підсилювачів слідуючі:

1.Комбінаційні завади, що викликані взаємодією декількох різних несучих.

Шкода від них двояка.По перше корисна потужність може переходити в енергію комбінаційних завад(втрати 1-2 дБ).По друге в виді інтерференції в канал можуть вноситися паразитні комбінаційні добутки.

2.Перетворення АМ в АМ характерне для лампи біжучої хвилі.На вході пристрою любі флуктуації огинаючої приводять до спотворення амплітуди на виході пристрою.Тобто робота лампи біжучої хвилі в нелінійній області не

буде оптимальним вибором.

3.Перетворення амплітудної модуляції в фазову це ще одне явище характерне для нелінійних пристроїв.При цьому флуктуації огинаючої приводять до коливань фази.Вони можуть вплинути на достовірність переданої інформації

при використанні сигналів з модуляцією фази.

4.В обмежувачах з різким порогом ослаблення слабих сигналів відносно сильних складає 6 дБ.В лампах біжучої хвилі, які працюють в режимі насичення подавлення слабих сигналів проходить тому, що механізм звязування сигналу в лампі оптимізовані на користь сильних сигналів.В резу-

льтаті слабі сигнали можкть ослаблятися на 18 дБ.

3.Величина енергетичного запасу

Це питання виникає доволі часто.Для супутникового зв”язку в смузі

Частот С (,,З-с”-6 ГГц ,,,С-з”-4 ГГц) запас потужності складає 1 дБ. В системах INTELSAT енергетичний резерв складає 4-5 дБ.Інколи в бюджеті каналу зв”язку як окрема позиція фігурує затухання внаслідок погодних умов.В інших випадках необхідне значення енергетичного запасу виражає вимоги каналу при даному погіршенні параметрів внаслідок дощу.

Проекти з використанням високих частот(14-12 ГГц) вимагають значних погодних запасів.Втрати в атмосфері збільшуються з частотою.

Аналіз каналу зв”язку для супутника безпосередньої трансляції виглядає

наступним чином (SATELITE TELEVISION CORPORATION):

Лінія зв”язку ,,Земля-супутник”

1. Р_е наземної станції -86,6 дБВт

2. Втрати в вільному просторі (17,6 ГГц,кут-48⁰) -208,9 дБВт

3. Поглинання внаслідок дощу -12,0 дБВт

4.Добротність приймача супутника -7,7 дБ/К

5. Відношення Р несучої до шуму лз ,,З-с” -102,0 дБ/К

Лінія зв”язку ,,Супутник-земля”

1. Р_е супутника -57 дБВт

2.Втрати в вільному просторі (12,5 ГГц,кут-30⁰) -206,1 дБ

3.Втрати в атмосфері -0,14 дБ

4.Добротність домашнього приймача (параб.ант.0,75м) -9,4 дБ/К

5.Втрати наведення приймача (помилка 0,5⁰) -0,6 дБ

6.Резерв відносно порогу -5,9 дБ.

Пояснення одиниці дБВт виглядає наступним чином:

Р дБВт=10 lg( Р Вт/1 Вт) (Р=1000 Вт=30 дБВт).

Лекція №13

Поиск по сайту: