Гектометровая зоновая сеть связи с частотным уплотнением

Введение.

В современном мире невозможно обойтись без мобильного телефона. Все буквально пронизаны радиоволнами. Радиосвязь стала неотъемлемым средством общения на дальних расстояниях. Помимо простого общения между несколькими собеседниками радиосвязь стала важной частью многих отраслей служб и услуг. Так, например, работа службы МЧС невозможна без сети связи, современные экспедиции проводят, используя радиосвязь. В военной отрасли радиосвязь необходима. Существует большое количество разнообразных систем связи. Спутниковые системы и системы коротковолновой связи являются одними из систем связи, позволяющие передавать и получать голосовые сообщения и данные на большие расстояния. Благодаря таким системам возможно охватить большую территорию с достаточно сложным рельефом, для передачи данных, что в отличии от УКВ и СВЧ диапазонах невозможно. Но спутниковая система связи обладает рядом недостатков:

- так как сигнал проходит очень большое расстояния от передатчика до спутника, и обратно до приемника, возникает большая задержка распространения, достигающая 500 мс, при телефонном соединении такая задержка особенно ощутима.

- из-за огромного расстояния между земными станциями и спутником отношение сигнал/помеха мало. Следствие этому- низкая помехозащищённость. Приходится использовать крупногабаритные антенны, сложные помехоустойчивые коды.

- большая стоимость предоставления услуг связи, связанная с затратами на оборудование.

С учетом всех достоинств и недостатков спутниковых систем, обеспечить связь в особых условиях можно, используя транкинговую систему радиосвязи с УКВ диапазоном частот. Однако, важным недостатком радиоволны УКВ является распространяются в переделах прямой зоны видимости. Для решения этой проблемы нужно иметь высоко поднятую антенну чтобы увеличить зону действия системы. Это вызывает большие затраты времени и ухудшает мобильность радиостанции. В гористой местности условие прямой видимости значительно ухудшается. Мобильность УКВ можно достичь, затратив большое количество средств путем размещения базовых станций, например, на беспилотном летательном объекте. 

Все вышесказанные недостатки можно ликвидировать, используя в первичной сети зоновой радиосвязи гектометровый диапазон волн. 

У части гектометрового диапазона на частоте 1.5-3 МГц существует особенность распространяться, отражаясь от слоев атмосферы. Днем, благодаря дифракции и рефракции возможна радиосвязь на сотни км, а ночью отражаясь от ионосферы радиоволна распространяется на многие сотни километров. Этот диапазон радиоволн так же часто используется геологами в горных местностях.

 В качествепериферийной радиостанции гектометрового диапазона можно использовать радиостанцию, производимую Омским заводом приборостроения имени Козицкого - «Карат» мощностью 1Вт соединенную с антеннами типа «штырь» (1.8 м) и «наклонный луч» (12м), которые могут обеспечить дальность связи на расстоянии 10 и 30 км, соответственно. Для мобильного использования радиостанции удобней применять только антенну типа «штырь».

Для средневолнового диапазона радиоволн в ОмГТУ была разработана индуктивная антенна размером 30-40 см. Благодаря своим малым габаритам ее можно использовать как в мобильных, так и в портативных радиостанциях. При проведении испытаний антенны специалистами ОмГТУ и ФГУП «ОНИИП», было показано, что данная антенна схожа с антенной, типа «НАКЛОННЫЙ ЛУЧ», и эффективнее антенны типа «ШТЫРЬ», обеспечивая дальность радиосвязи при мощности в 1Вт на расстояния до 25 км в дневное время суток.

Применение антенны такого типа улучшает мобильность радиостанции и позволяет обеспечивать работу гектометровой зоновой системы связи, работающей в движении. Базовая станция зоновой системы связи работает в дуплексном режиме. В связи с этим возникает необходимость использования дуплексного фильтра, реализация которого в средневолновом диапазоне представляет большие сложности, или пространственного разнесения антенн. Пространственное разнесение приемных и передающих антенн более приемлемо для данного диапазона частот, так как оно может быть минимальным, за счет резонансных свойств антенн. Проведенные испытания показали, что при расстройке частот приема и передачи в 100 кГц, передающая антенна практически не оказывает влияния на приемную уже при разнесении на 0,5 м. Это позволяет установить несколько приемных и передающих антенн на крыше автомобиля и обеспечить работу нескольких каналов.

Увеличивая мощность передатчика возрастает и зона покрытия. Так при использовании передатчиков на базовых и мобильных радиостанциях (до 5 -10 Вт) возрастает радиус зоны покрытия до 40 – 50 км. Дополнительно увеличение дальности связи базовой и абонентских радиостанций можно достичь применением мобильных ретрансляторов.

Главной особенностью гектометровой зоновой системы связи является способность эффективно функционировать в горных районах, обеспечивать мобильную связь без высокоподнятых крупногабаритных антенн, что в разы улучшает мобильность данной системы.  Исключает использование дополнительных ретрансляторов при отсутствии прямой видимости между корреспондентами в радиусе 25 - 50 км. Предложенная зоновая система связи гектометрового диапазона с мобильными абонентскими и базовыми радиостанциями может быть использована для различного рода обеспечения связи, при проведении спасательных и специальных операций, исследовательских экспедиций, в особенности, когда нет времени и возможности на развертывание крупногабаритных средств связи. 

Для каналов гектометрового диапазона частот разрабатываются модемы с использованием различных технологий. Одним из самых распространенных является технология с частотным уплотнением каналов. Сигналы на основе ортогонального уплотнения позволяют создавать высокоскоростные модемы, модемы с большой базой, обладающие высокой помехоустойчивостью и скрытностью. В рассмотренном случае системы связи важным фактором является большая пропускная способность канала связи и наличие множества корреспондентов, что и позволяет использовать данную технологию.

При реализации сети связи удобно использовать средства моделирования радиоканалов. Благодаря ним происходит значительная экономия времени и средств в отличие от реальных испытаний. Метод имитационного моделирования соответствует всем международным стандартам, рекомендованным Международным союзом радиосвязи. Для проведения моделирования были использованы пакеты программ MathLab, и в качестве математической модели канала связи выбран простой канал с аддитивным белым Гауссовским шумом.

















	

	

	

	

	1. Распространение радиоволн

	1.1 Общие сведения

	  Радиоволнами называют электромагнитные волны в диапазоне частот от 3 Гц до 3 ТГц. В зависимости от своей длины они делятся на следующие диапазоны:

	

	Радиоволны применяются для передачи информации на большие и малые расстояния, для обнаружения различных объектов, определения их направления и расстояния до них, в частности радиолокация, для управления на расстоянии устройствами, и многих других целей. В любом случае для всех целей применяется одна система, называемая линия радиосвязи, или радиолиния.

	

	В любой линии радиосвязи существует три главные части: передатчик, приемник и среда распространения.

	 На рис. 1.1 изображена линия связи простейшего типа. В качестве примера рассмотрен случай распространения в результате отражения от ионосферы. 

	На рис 1.2 показана радиорелейная линия. Главной характеристикой линии связи такого типа является то, что информация попадает в конечный пункт с помощью промежуточных релейных или трансляционных станций. Все промежуточные станции являются «активными ретрансляторами», т.е. включает в себя приемное устройство, подсоединенное ко входу передатчика.

	 Радиоволны излучаются в виде энергии электромагнитного поля. Каждая волна, в зависимости от длины имеет свой характер распространения.

	

	Рисунок 1.3. Распространение радиоволн.

	Чем меньше частота, там больше волна способна огибать препятствия, и наоборот, чем меньше длина волны, тем хуже она огибает свои препятствия и движется более прямолинейно. 

	Гектометровые и декаметровые волны распространяются как ионосферные, так и земные. Короткие волны распространяются, периодически отражаясь от слоев ионосферы и земной поверхности. Ультракороткие волны и волны более высокой частоты не огибают ионосферу и распространяются прямолинейно. Ионосфера для них прозрачна, поэтому они используются для радиосвязи со спутниками в космическом пространстве и между приемником и передатчиков в пределах прямой видимости.

	

	1.2 Распространение гектометровых волн

	К гектометровым волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 1000 м (частоты 3—0,3 МГц). Волны такой длины могут распространяться, отражаясь от слоев ионосферы, и как обычные земные волны. 

	 Проникая в слои ионосферы, гектометровые волны поглощаются ими. Поглощение гектометровых волн в области D и E ионосферы более заметны в дневное время. 

	Важнейшая особенность распространения гектометровых волн заключается в том, что в дневные часы они распространяются как земные, а с наступлением темноты -  как земные и как ионосферные волны. 

	

	Рисунок 1.4. Распространение гектометровых волн

	С наступлением темноты в точку приема начинают попадать пространственные (ионосферные) волны, помимо земных. В этом случае электрическое поле в точке приема представляет собой результат интерференции земной и ионосферной волн. В зависимости от разности фаз между интерферирующими лучами результирующее поле может быть, как больше, так и меньше поля интерферирующих лучей. Из-за неоднородности ионосферы поле имеет переменную по времени амплитуду. Подобные изменения влияют на высоту отражающего слоя, и, следовательно, длины траектории. Такой характер распространения носит название замирание. Под действием замираний напряженность поля может значительно изменяться. В приемопередающих устройствах применяют различные средства борьбы с замираниями.

	Для отражения гектометровых волн от ионосферы, достаточна меньшая электронная концентрация, чем для отражения коротких волн. Благодаря этому днем при малых мощностях передатчика напряженность поля гектометровых волн оказывается ниже уровня помех, т.е. днем не возникают отраженные от ионосферы волны. 

	 Напряженность поля гектометровых волн практически не зависит от сезонных изменений, так как они отражаются от слоя Е, проходя слой D, а он, не зависит от времени года.

	Для излучения земных волн используют элементарные вертикальные вибраторы. Диаграмма направленности изображена на рисунке 

	

	Рисунок 1.5. Диаграмма направленности вертикального вибратора

	Вблизи передатчика поле пространственной волны практически отсутствует и имеет существенное значение, только начиная с расстояний в несколько сотен километров. На таком расстоянии при достаточной мощности сигнала прием волны проходит уверенно и без замираний. Эту область называют областью уверенного приема.

	 В ночное время суток при большом расстоянии между приемником и передатчиком могут наблюдаться замирания вследствие интерференции. Такие замирания носят медленный характер. Также при распространении гектометровых волн на дальние расстояния возможна потеря связи днем из-за отсутствия пространственных волн, и связь будет возможна только в ночное время суток.

	Особенностью распространения пространственной волны гектометрового диапазона являются нелинейный эффекты в ионосфере. В частности, перекрестная модуляция радиоволн в ионосфере. Данный эффект возникает в том случае, когда две амплитудно-модулированные волны разной частоты распространяются в одной и той же области ионосферы, и поле хотя бы одной из волн имеет большую напряженность.

	

	Рисунок 1.6. Перекрестная модуляция на гектометровых волнах.

	При этом поле с большей мощностью изменяет поглощение в ионосфере, дополнительно модулируя амплитуду слабого по мощности поля. Данный эффект не возникает в длинных и сверхдлинных волнах, потому что, такой тип волн не проникает вглубь ионосферы. Для борьбы с данной проблемой стараются разумно выбирать мощность станций и учитывать их расположение. 

	Достоинством гектометровой сети является возможность осуществления дальней связи с помощью маломощных приемо-передающих устройств.







































2. Способы уплотнения линии связи.

2.1 Общие сведения.

Актуальной проблемой сети связи является вопрос об эффективном использовании каналов связи. Линией связи называют совокупность технический устройств, обеспечивающих передачу и распространение сигналов от передатчика к приемнику. Передаваемым сообщением может быть речь или текст, фотография и т.п. Мы рассматриваем линию связи с большим числом каналов. Для этого приемник и передатчик должны содержать устройства уплотнения, благодаря которым общий тракт может быть использован для передачи нескольких сообщений.

Передача осуществляется в виде дискретных сообщений. Каждый символ кодовой последовательности представляется в виде некоторого отрезка сигнала, посылаемого от передающего устройства к приемному. 

Математической моделью дискретного сигнала служит последовательность x(k), где k– аргумент, принимающий значения из дискретного множества, а функция x(k) может принимать значения из непрерывногомножества вещественных или комплексных чисел (в пространственно-временной обработке сигналов функция x(k) принимает векторные значения). В соответствии с теоремой отсчетов, аналоговый сигнал s(t) сфинитным спектром, сосредоточенным в полосе частот (-Fв, Fв), можетбез потерь информации быть заменен дискретной последовательностьюx(k) = x(kT) своих значений, взятых с шагом T< 1/2Fв, которая и представляет собой дискретный сигнал.

Пусть последовательность отсчетов x(k) является периодической с периодом N:

x(k + N) = x(k) для любого k.                              (2.1)

Такая последовательность полностью описывается набором чисел, в качестве которого можно взять произвольный фрагмент длиной N, например, {x(k), k = 0,1, …, N-1}. Поставленный в соответствие этой последовательности сигнал из смещенных по времени дельта – функций:



(2.2)



также, будет периодическим с минимальным периодом NT.

Так как сигнал s(t) является дискретным, его спектр должен быть периодическим с периодом 2?/Т. Так как этот сигнал является так же и периодическим, его спектр должен быть дискретным с расстоянием между гармониками, равным 2?/(NТ).

Процедура вычисления спектра периодического дискретного сигнала определяется следующим образом. Так как сигнал периодический, то разложение происходит с помощью рядов Фурье. Коэффициенты ?(n) этого ряда равны:





Таким образом, формула для вычисления комплексных амплитуд гармоник представляет собой линейную комбинацию отсчетов сигнала.

В выражении (1.3) реальный масштаб времени фигурирует только в множителе 1/Т перед оператором суммирования. При рассмотрении дискретных последовательностей обычно оперируют номерами отсчетов и спектральных гармоник без привязки к действительному масштабу времени и частоты. Поэтому множитель 1/Т из (1.3) удаляют, т.е. считают частоту дискретизации равной единице. Получившееся выражение называется дискретным преобразованием Фурье:





Существует и обратное дискретное преобразование Фурье. Переход от дискретного спектра к временным отсчетам сигнала выражается следующей формулой:





Это выражение отличается от формулы прямого ДПФ (2.4) лишь знаком в показателе комплексной экспоненты и наличием множителя 1/N перед оператором суммирования.

Сигнал является зависимостью тока или напряжения от времени. С помощью преобразований Фурье эта зависимость может быть представлена как частотные, амплитудные и фазовые соотношения между гармоническими составляющими сигнала. Любой сигнал представляет собой процесс, при котором в линии связи появляется спектр гармонических составляющих. Различные сигналы в тракте передачи занимают разные частоты. С помощью фильтров их можно разделить друг от друга. Уплотнение в данной линии называется частотным. Существует так же временное уплотнение, при котором сигналы передаются в различное время в общем тракте. Для раздельного приема можно использовать устройства, фиксирующие различия фазовых соотношений спектральных составляющих принимаемого сигнала. По линии связи передаются сигналы одинаковой частоты и амплитуды, но с различными фазами.  Данное уплотнение является фазовым. 







Рисунок 2.1. Возможные фазовые положения векторов несущих частот 1-го и 2-го подканалов. Фазовое уплотнение.

Применяются так же совмещенные виды уплотнения, которые еще сильнее повышают использование тракта передачи. В настоящее время такие виды уплотнения широко применяются при передаче дискретной информации. Однако наибольшее распространение получили частотное и временное уплотнение.

Качество передачи данных в системе связи определяется методом разделения канальных сигналов, поскольку определяет:

1. Ширину полосы частот.

2. Простоту определения сигнала.

3. Надежность и простоту эксплуатации аппаратуры.



2.2 Частотное уплотнение.

Частотное уплотнение одно из самых распространенных видов уплотнения каналов, которое получило свое развитие благодаря необходимости экономно использовать отведенный диапазон частот под сеть связи.  

Данная проблема возникла еще в XIX веке, над решением которой боролись многие инженеры. Одним из них был американский изобретатель Грей, который стал основоположником применения частотного уплотнения в проводимых каналах связи.

Первые опыты по осуществлению частотного уплотнения радиоканалов были осуществлены в 1914 году в США. В СССР первая такая работа была проведена в 1935 году под руководством В.А. Котельникова. 

Спектр представляет собой совокупность из радиосигналов от различных устройств, поступающий на вход приемника базовой станции. Прием осуществляется с помощью фильтров.



Рисунок2.2. Спектр совокупности сигналов

В предлагаемом варианте зоновой сети связи для приема заявок на связь и для передачи информационных сообщений отводятся три речевых канала с различными частотами.



Рисунок 2.3. Распределение частот при передаче сигналов вызова на связь и информационных сигналов



Частотное уплотнение требует, чтобы спектры сигналов, поступающих от различных передатчиков, находились в различных, не совпадающих частях диапазона передаваемых по линии частот.



Рисунок 2.4. Преобразование спектров в системе с частотным уплотнением.

Каждый сигнал поступает на модулятор, который задает определенную частоту модуляции. На приемнике установлен полосовой фильтр, который выделяет нужный спектр и подает сигнал на демодулятор.

Если от различных источников передавать радиосигналы параллельно на разных частотах fiс выполнением условия: T·fi - целые числа ( целое число периодов несущего колебания посылки) и fi – fj = n/T ( разность частот соседних каналов кратна скорости манипуляции), то такие сигналы будут взаимно ортогональными и не будут оказывать друг на друга никакого влияния на приеме. Ортогональность из теории связи означает, что скалярное произведение (sk(t), sl(t)) между двумя любыми различными сигналами sk(t) и sl(t) равно нулю:

 (2.6)

	где Т – длительность сигналов.	



Рисунок 2.5. Спектр последовательности сигналов с ортогональным разнесением



Из данного графика видно, что в точке максимума одного спектра другие спектры равны нулю. Важным фактором является то, что ортогональность обеспечивается только у сигналов прямоугольной формы, т.к. только такие сигналы имеют спектр в видеsinc-функции.

Данный способ уплотнения сигналов по частоте нашел широкое применение в технологии OFDM, которую используют многие современные системы связи.



При проектировании гектометровой зоновой сети связи каждому корреспонденту дается определенная частота, на которой он может передавать сообщение на базовую станцию. Информация модулируется и передается каждым корреспондентом на своей частоте. Благодаря использованию метода взаимной ортогональности сигналов, диапазон частот для каждого корреспондента занимает всего 4Гц. При полосе частот f=16 кГц 4000 корреспондентов имеют свою собственную частоту для передачи и приема сообщений.



Рисунок 2.6. Частотное уплотнение канала взаимно – ортогональными сигналами









	

	



3. Цифровые виды модуляций

3.1 Общие сведения

Для передачи информации по радиоканалу переносчиком является гармоническое колебание несущей частоты fc. При модуляции происходит перенос информации на несущую более высокую частоту. Информация может содержаться в цифровом сигнале. Такая система называется цифровой, и передача любых сообщений осуществляется в цифровой форме, т.е. в последовательных битах {ai, i=…,1, 0, +1,…}; при любом значении индекса i символ аi принимает значения из алфавита {0, 1}. Модуляция в данном случае обеспечивает перенос информации с «цифрового» кодового описания на «непрерывное» сигнальное.  Частота модуляции намного больше информационной частоты сигнала.

Гармоническое колебание на несущей частоте содержит три информационных параметра: A – амплитуду, ?н – фазу и н– частоту. При модуляции, один из параметров сигнала изменяется, и в соответствии с этим получили названия три основных вида модуляции: амплитудная (АМ), фазовая (ФМ) и частотная модуляция (ЧМ). 



Рисунок 3.1. Исходный сигнал



Рисунок 3.2. Амплитудная модуляция



Рисунок 3.3. Частотная модуляция

 В цифровой модуляции (манипуляции) сигнал на несущей частоте модулируется потоком битов. Основными видами цифровых модуляций является:

ASK – Amplitude shift keying (Амплитудная двоичная модуляция).

FSK – Frequency shift keying (Частотая двоичная модуляция).

PSK – Phase shift keying (Фазовая двоичная модуляция).

ASK/PSK.



Рисунок 3.4. Виды цифровых манипуляций

Каждая из цифровых модуляций имеет ряд преимуществ. Например, при амплитудной модуляции эффективно используется полоса частот, но сигнал подвержен искажениям. Частотная не эффективно использует полосу частот, но энергетические параметры сигнала лучше амплитудной модуляции. 

Наиболее эффективным видом модуляции является PSK (фазовая двоичная модуляция), которая оптимально использует полосу частот и энергию сигнала.

 Информационный сигнал, записанный в комплексной форме имеет вид:

S(t)=A(t)ejt+(t)=I(t)cos(t) + jQ(t)sin(t) 	  (3.1)      где ? – несущая частота сигнала, I(t) и Q(t) –синфазная и квадратурная составляющие модулированного сигнала.

 Данное разложение используют при создании сигнального созвездия- множество значений I(t) и Q(t) на декартовой плоскости. По оси абсцисс I(t), а по оси ординат - Q(t). Другими словами, сигнальное созвездие- это диаграмма возможных состояний сигнала. С помощью созвездия могут быть произведены и оценены ошибки фазы и амплитуды анализируемого сигнала в этих точках.



3.2 Амплитудные виды цифровой модуляции (OOK, ASK, M-ASK)

Наиболее простым видом манипуляции сигнала является амплитудная манипуляция. 

ASK – амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying) – каждому символу подбирается своя амплитуда несущего сигнала. Частота и фаза манипулированного сигнала постоянны. ASK редко используется на практике, ввиду плохих помехоустойчивых характеристик, и применяется обычно с другими видами манипуляции.



Рисунок 3.5. Амплитудная манипуляция



На рисунке 3.5 приведен график двоичной бинарной последовательности нулей и единиц и, соответствующий ему, график амплитудно-манипулированного сигнала. При кодировании сигнала низкого уровня используется амплитуда 0,5 В, а для кодирования высокого уровня используется амплитуда 1 В несущего сигнала синусоидального типа. 

OOK (On-Off Keying, Включено-Выключено) – частный случай ASK. Данный вид модуляции используется в сигнальных и охранных системах.

M-ASK – многоуровневый (многопозиционный) сигнал с размерностью множества возможных значений амплитуды сигнала М=log2k, где k– число бит в одном символе. 

На рисунке 3.6 изображены сигнальные созвездия для модуляций OOK, ASK и M-ASK

	

а)					б)				в)

Рисунок3.6– Сигнальные созвездия: а) модуляции OOK, б) модуляции 8-ASK

3.3 Частотные виды модуляции (FSK, MSK, M-FSK, GFSK, GMSK)

 Одним из самых распространенных видов манипуляции является частотная - FSK модуляция (частотная манипуляция, Frequency Shift Keying). 

Полезный сигнал формируется из отрезков двух синусоид:

 и                                                       (3.2)

сигнал используется для передачи логического нуля, а сигнал   — для передачи логической единицы.



Рисунок 3.7. Схема FSK модулятора.





Многопозиционная частотная модуляция (M-FSK) 

Сигналы в многопозиционной частотной модуляции могут быть описаны в соответствии со следующим выражением:

, , …,                    (3.3)

где  используется для передачи первого состояния символа;
 –для передачи второго состояния символа;

 - для передачи N-го состояния символа.

Использование многопозиционной частотной модуляции позволяет реализовать высокочастотный сигнал с постоянной амплитудой. Такой сигнал позволяет строить радиопередатчики с максимальным кпд, так как при применении сигнала с постоянной амплитудой, усилитель мощности радиопередатчика работает в оптимальном режиме.



Виды частотной модуляции с ограниченным спектром (GFSK, GMSK)

Для ограничения спектра сигналов FSK и M-FSK чаще всего применяется Гауссов baseband-фильтр для сглаживания положительных и отрицательных частотных перестроек, т.е. бинарный код 1 или 0.  Соответствующие типы модуляции называются GFSK (GaussianFrequencyShiftKeying) и GMSK (GaussianMinimumShiftKeying).

Принцип работы GFSK схож с FSK, но перед модуляцией импульсы поступают на сглаживающий фильтр, для уменьшения ширины спектра.

GMSK является разновидностью фазовой модуляции. При подаче бита «0» или «1» фаза меняется.



Рисунок 3.8. Модуляция GMSK

3.4 Фазовые виды модуляции (BPSK, QPSK, M-PSK)



Рисунок 3.9. Фазовая манипуляция



На рисунке 3.9 представлена самая простая PSK схема BPSK – Binary phase-shift keying. Здесь множеству значений информационного сигнала {0,1} ставится в однозначное соответствие множество изменений фазы{0, ?}. При изменении значения информационного сигнала фаза радиосигнала изменяется на 180?. 

Существуют также другие виды PSK , где используются различные сдвиги фаз и могут одновременно кодироваться несколько бит:

- BPSK – (Двоичная (бинарная) фазовая манипуляция ФМ-2) 



Рисунок 3.10. BPSK

У данного вида модуляции число фаз М=2. За одно изменение фазы передается один бит n=1, и символьная скорость равна 1 бит на символ.

Синфазная I(t) и квадратурная Q(t) компоненты комплексной огибающей  равны :

 и                                  (3.4)

				

- DBPSK – (Относительная BPSK)



Рисунок 3.11. DBPSK

Относительная фазовая манипуляция (DPSK – Differentialphaseshiftkeying) – разновидность фазовой манипуляции главной особенностью которой является то, что изменение фазы между соседними символами является информационным параметром.

Значение фазы каждого N-го символа отсчитывается от фазы предыдущего (N-1)-го символа. Для определения фазы первого информационного символа необходимо добавление избыточного символа. 



Рисунок 3.12. Метод ОФМ

Принцип определения посылки основан на том, что, например, при передаче посылки «0» фаза передаваемой посылки должна совпадать с фазой предыдущей, а при «1» должна быть сдвинута на 180° от фазы предыдущей посылки. На рисунке изображена схема с процессом сравнения посылки по фазам:



Рисунок 3.13. ОФМ на основе сравнения фаз.

Кроме схемы с определением сигналов ОФМ, была изобретена схема со сравнением полярностей. Данное сравнение происходит на выходе детектора. Метод основан на схеме Пистолькорса, в которой создается опорное напряжение. Сигнал ФМ на приеме возводится в квадрат, в результате устраняется манипуляция, но в два раза повышается частота, которая затем уменьшается с помощью делителя. Но возникает явление «обратной работы»: посылка «1» превращается на выходе детектора в посылку «0», а «0» в «1». Это явление устраняется при сравнении посылок на выходе детектора, который в итоге дает правильный результат. В схеме Пистолькорса происходит устранения манипуляции фазы, и возможна узкополосная фильтрация сигнала со снижением уровня помех.



Рисунок 3.14. ОФМ на основе сравнения полярностей.



- КФМ (QPSK) – (Квадратурная фазовая модуляция ФМ-4)



Рисунок 3.15. QPSK



В данном виде модуляции происходит изменение мгновенной фазы несущего колебания от начала координат.





- DQPSK – (Дифференциальная квадратурная модуляция)



Рисунок 3.16. DQPSK



Передает данные путем изменения фазы несущей волны

- OQPSK – Offset QPSK – (Квадратурная модуляция со сдвигом)



Рисунок 3.17. OQPSK



Разновидность фазовой манипуляции с использованием четырех различных значений фазы для передачи.

- /4 – QPSK – (?/4-квадратурная относительная фазовая модуляция)



Рисунок 3.18. /4 – QPSK



Один из вариантов QPSK который использует два одинаковых созвездия, повернутых на 45 ° {\ Displaystyle \ пи / 4}по отношению друг к другу. Четные или нечетные символы используются для выбора точек из одного из созвездий и других символов выбора точек из другого созвездия.

- M-PSK – (Многопозиционная фазовая модуляция) 



Рисунок 3.19. M-PSK



В данной модуляции происходит группировка k=log2M бит в символы.  Происходит соответствие между множеством значений символа и множеством значений сдвига фазы модулированного колебания.

3.5 Амплитудно-фазовые виды модуляции (QAM)

Для увеличения скорости передачи данных используют различные комбинации модуляций. Одним из них является квадратурная амплитудная модуляция (QAM). 

   При модуляции передаваемый сигнал модулирует амплитуду и фазу несущего колебания. 



Несущий сигнал имеет вид:

u(t) = cos(?t),                              (3.5)

а в результате модуляции сигналами  и , передаваемый сигнал будет иметь вид:

u(t) = cos(?t) + cos(?t)                                                                               (3.6)



Рисунок 3.20. Структурная схема квадратурного модулятора







Рисунок 3.21. Векторная диаграмма сигнала при различных видах квадратурной амплитудной модуляции



Каждая точка характеризуется сочетанием фазы и амплитуды сигнала.

При модуляции 4-QAM амплитуда сигнала не изменяется и модуляция схожа с фазовой.

Самым распространенным видом является модуляция 16-QAM. В ней сигнальное созвездие состоит из 16 сигналов, отличных по фазе и амплитуде.

3.6 Демодуляция сигналов

Демодуляция сигнала с манипуляцией может быть осуществлена сравнением принятого символа с нулем, т. е. простым компаратором. Демодуляция сигнала прошедшего квадратурную модуляцию (например, QPSK) может осуществляться двумя компараторами. В общем случае при приеме сигнала на комплексной плоскости выделяют зоны принятия решения, изображено на рисунке 3.22.



Рисунок 3.22. Зоны принятия решения при демодуляции сигнала



Для демодуляции сигнала QAM-16 выделяют 16 зон решения, если символ попадает в одну из зон, то ему назначается одно из слов. Для правильного приема данных при высоких порядках манипуляции необходимо автоматическое центрирование точек созвездия в центры зон принятия решений. При отсутствии петли автоматической регулировки уровня сигнала (АРУ), демодуляция сигнала становится невозможной. В случае искажений созвездия, которые могут возникнуть при распространении сигнала в канале связи, необходимо производить его выравнивание при помощи адаптивных эквалайзеров.





4. Канал связи

4.1 Модели канала связи

При проектировании системы связи целесообразно использовать математические модели канала связи. По полученным результатам моделирования можно проводить анализ системы, прохождение сигнала по каналу, наличие помех и искажений, с последующей корректировкой для повышения качества и скорости передачи информации.



Рисунок 4.1. Структурная схема модели канала связи



Модель канала связи должна содержать всю необходимую информацию о реальном канале, что весьма сложно для математического описания. Вместо этого используются упрощенные математические модели, в которых описаны наиболее важные особенности канала.

Применение моделей имеет ряд преимуществ по сравнению с реальными экспериментами. К таким преимуществам относят наглядное представление результатов эксперимента, неограниченное количество проведений моделирования и сокращения времени проектирования систем связи.

 Из всех разработанных моделей самым распространенным является модель непрерывного канала связи с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ). В данной модели к сигналу добавляется белый шум, который имеет гауссовское распределение амплитуды. Модель без замираний и служит для получения информации основного поведения сигнала в системе. 

                                             (4.1)

Символьный интервал не должен превышать длительность Т. W(t) – гауссовский аддитивный шум с нулевым математическим ожиданием.

Канал с АБГШ смоделирован как случайный процесс X(t) .



Рисунок 4.2. Модель АБГШ.

Аддитивный белый гауссовский шум обусловлен электрическими помехами, шумами радиопередатчиков и интерференции сигналов.

Для белого шума применяется генератор случайных чисел, который при последовательных экспериментах выдает одинаковые результаты при одинаковом начальном числе.

Белый шум имеет нормальное распределение и представляет собой дельта-коррелированный (некоррелированный) процесс. Основным элементом моделирования аддитивного шума в модели является генератор нормально распределенных случайных чисел.

Для моделирования шума удобно использовать марковский случайный процесс. Марковским процессом является случайный процесс , у которого в любой момент времени  вероятность осуществления значения отсчета , зависит только от предыдущего значения отсчета, которое было реализовано в предшествующий момент времени .

Коэффициент корреляции марковского нормального случайного процесса R зависит следующим образом от времени корреляции To и интервала между отсчетами dt:   

						(4.2)

	где  – время корреляции	

 – интервал между отсчётами



Марковские процессы играют большую роль при математическом моделировании узкополосных шумов, медленных замираний сигнала и другого рода коррелированных случайных процессов.

Если отсчеты какого-либо коррелированного случайного процесса брать через интервалы времени ?t во много раз превышающими его время корреляции (?t>>To), то последовательность такого рода отсчетов будет представлять собой дельта-коррелированный процесс, так как корреляционная зависимость между этими отсчетами будет отсутствовать.

Если имеется дельта-коррелированный (R=0), центрированный (МО=0) и нормированный(СКО=1) нормальный (гауссов.......................