Слаботочка Книги части этой главы описаны основные способы модуляции и показана их эффективность. В последующих разделах приведены основные соображения по системному расчету СВЧ радиорелейных систем магистральной связи. Плотность передачи информации. Полезным параметром, характеризующим эффективность использования полосы системами с модуляцией цифровыми сигналами, является плотность передачи информации, определяемая как () = R/BW, (6.1) где R - скорость передачи цифрового сигнала в битах в секунду; BW - полоса, занимаемая цифровым сигналом, в герцах. Единицы плотности информации иногда несколько произвольно выражают в битах на герц. Однако, как определено в формуле (6. 1), эти единицы должны выражаться как биты в секунду на герц. Ширина полосы в формуле (6. 1) может быть определена множеством способов. При теоретических исследованиях полосу сигнала обычно определяют как полосу идеального фильтра, используемого для точного ограничения спектра сигнала (т. е. как полосу по Найквисту). В практических системах, где спектр никогда не может быть строго ограничен по полосе, ширину полосы определить труднее. В радиосистемах ширина полосы ствола обычно устанавливается по определенному минимальному затуханию сигнала на границах полосы. В этом случае плотность передачи информации можно легко определить как скорость передачи двоичных символов сигналом, удовлетворяющим этим требованиям, деленную на ширину отведенной полосы. Если конкретные требования на излучение не установлены, то полоса, требуемая для цифрового сигнала, должна быть определена другим, более или менее произвольным способом. Использовать ширину полосы по уровню 3 дБ обычно нельзя, поскольку энергия в спектре сигнала может падать довольно медленно и при этом значительное ее количество может проникнуть в соседние стволы. Более подходящим, но все-таки несколько произвольным является определение границ полосы по уровню большего затухания. Критерий, обычно более пригодный для практических систем, определяет ширину полосы сигнала как расстояние между стволами, необходимое для достижения определенного максимального уровня помех в идентичных соседних стволах [2]. И еще одно определение, обычно используемое в Европе, соответствует ширине полосы, в которой находится 99 % мощности сигнала. Теоретически максимальное значение плотности передачи информации при передаче двоичных сигналов равно 2 (бит/с) /Гц для двухуровневого кода передачи импульсами постоянного тока или 1 (бит/с) /Гц - для модулированного сигнала с двумя боковыми. Если для получения двух битов на тактовый интервал применяется четырехуровневый код передачи, то теоретическое значение плотности передачи информации равно 4 (бит/с) /Гц для кода передачи импульсами постоянного тока, или 2 (бит/с)/Гц-для модулированного сигнала с двумя боковыми. Плотность передачи информации для сигнала с Таблица 6.1. Плотности передачи информации, установленные ФКС для обычных стволов СВЧ радиолиний, использующих скорость передачи 64 кбит/с на канал ТЧ
амплитудной модуляцией можно удвоить, если использовать передачу с одной боковой для того, чтобы фактически достигнуть той же самой эффективности, что и для кодов передачи (передача импульсами постоянного тока). В качестве практического примера укажем, что максимальная гарантированная скорость передачи данных по коммутируемым телефонным каналам равна 4800 бит/с (обычно при тактовой частоте передачи символов 2400 Гц и двух битах на тактовый интервал). Поскольку ширина пригодной для использования полосы составляет примерно 3 кГц, коммутируемый канал обеспечивает плотность передачи информации около 1,6 (бит/с) /Гц. Соответственно, максимально гарантированная скорость передачи данных по арендованным аналоговым каналам равна 9600 бит/с [плотность передачи информации около 3,2 (бит/с)/Гц]. В качестве отправной точки при рассмотрении цифровых СВЧ радиосистем укажем (см. табл. 6.1) минимальные значения скоростей передачи и соответствующие плотности передачи информации, которые требуются в США в обычных диапазонах частот. Конкуренция и требования совместимости с иерархическими цифровыми системами привели к реализации еще больших значений эффективности передачи. 6.1. МОДУЛЯЦИЯ ЦИФРОВЫМИ СИГНАЛАМИ Цифровая передача по радиолиниям отличается от передачи по проводным линиям в основном в двух отношениях. Во-первых, для получения радиочастотного сигнала цифровой информационный сигнал должен каким-то образом модулировать несущую. Во многих случаях процесс модуляции может рассматриваться как специальная форма амплитудной модуляции сигналом в коде БВН, когда колебание несущей модулируется по амплитуде в передатчике и восстанавливается после демодуляции в приемнике. Такое представление процесса модулядаи имеет то преимущество, что радиочастотный спектр может быть определен путем простого переноса спектра сигнала кода передачи к выбранной несущей частоте. Недавно для каналов ТЧ были внедрены модемы со скоростью передачи 14,4 кбит/с. Для достижения повышенной скорости передачи в этих модемах использованы весьма сложные способы обработки и коррекции цифрового сигнала. Во-вторых, передача по радиолинии отличается от передачи по проводной линии необходимостью строгого ограничения полосы передаваемых сигналов, чтобы предотвратить появление помех в других стволах. Хотя проводные линии передачи автоматически и фильтруют до некоторой степени сигнал в линии, явные требования фильтрации иногда предъявляются только к приемникам, чтобы отсечь как можно больше шумов. Поскольку в радиолиниях полоса ограничивается в передатчике, а шумы фильтруются в приемнике, полную характеристику фильтрации необходимо распределить между обеими сторонами. На рис. 6.1 представлена структурная схема радиолинии, где показаны также типовые сигналы в виде импульсов постоянного тока и радиочастотные сигналы вместе с соответствующими спектрами. Что касается модуляции, то на рис. 6.1 она показана как умножение несущей на сигнал в виде импульсов постоянного тока. При практической разработке цифровых радиосистем необходимо рассчитывать процесс модуляции совместно с характеристиками фильтрации. Для облегчения описания, однако, сначала рассматриваются способы модуляции, затем обсуждаются требования к фильтрации для каждого из типов модуляции. 6.1.1. Амплитудная модуляция Простейшей формой модуляции с точки зрения формирования и приема является амплитудная модуляция (AM). Понятие амплитудной модуляции иллюстрирует рис. 6.2, а ее математическое определение имеет вид x(t)=[l+amJt)]coswJ, (6.2) где а - коэффициент модуляции (0<а1), m (t) -п-уровневый сигнал в виде симметричных импульсов постоянного тока БВН, нормированных к максимальной амплитуде, равной 1, Wc=2n/<. - круговая несущая частота. Амплитудная модуляция представляет собой пример одного из специальных способов модуляции, называемых способами линейной модуляции. При линейной модуляции подразумевается, что спектр модулированного сигнала получается путем переноса спектра сигнала в виде импульсов постоянного тока в полосу частот, определенную несущей. Как показано на рис. 6.2, при AM двухуровневым цифро- 0 110 0 1 о 0 110 0 1 о Ч т К x(t) = [1 +ат (t)] cos LJct 1 COS Ulct Рис. 6.2. Амплитудная модуляция цифровыми двоичными сигналами COS Ulct Рис. 6.3. Манипуляция типа включено - выключено вым сигналом в виде импульсов постоянного тока, по существу, спектр импульсов постоянного тока вида (sinjc) /х переносится к несущей частоте f. К способам линейной модуляции относятся: модуляция с двумя боковыми, модуляция с одной боковой и модуляция с частично подавленной боковой. Рассмотрение выражения (6.2) или рис. 6.2 показывает, что если используется стопроцентная модуляция (а=1), то при двоичном нуле колебание несущей не передается. По очевидной причине эту форму AM часто называют манипуляцией вида включено - выключено , или амплитудной манипуляцией. Как показано на рис. 6.3, манипуляцию вида включено - выключено можно получить путем прямого умножения колебания несущей на двухуровневый (одно-полярный) сигнал, описанный в гл. 4. Сигналы с AM демодулируются обычно с помощью простого детектора огибающей. Экономическая эффективность применения этого детектора является основной причиной того, что в аналоговом радиовещании используется AM. К сожалению, характеристики ошибок AM цифровыми сигналами вообще, а детектирования огибающей в частности, уступают этим показателям для других форм модуляции и детектирования цифровых сигналов. По этой причине AM используется только тогда, когда существенной является стоимость приемника. Для минимизации коэффициента ошибок при заданном отношении сигнал - шум в цифровых СВЧ линиях используются другие формы модуляции и демодуляции. При обычной AM характеристики ошибок получаются несколько хуже оптимальных по двум основным причинам. Во-первых, если a<il, то в спектре имеется отдельная (не передающая информации) линия на несущей частоте. Хотя наличие линии в спектре и упрощает восстановление колебания несущей, при этом увеличивается передаваемая мощность, но не улучшается различие информационных сигналов. При стопроцентной модуляции (манипуляции включено - выключено ) линия в спектре не создается, но система все еще остается неэффективной по использованию передаваемой мощности. Как указывалось в гл. 4, при двухуровневом коде передачи максимальное использование передаваемой мощности достигается в том случае, mm л Сигнал в виде импульсов постоянного тока COS О) t Рис. 6.4. Двухуровневая фазовая манипуляция когда один сигнал является отрицательным по отношению к другому. Таким образом, второй недостаток AM связан с тем, что сигнал, соответствующий О, не является точно отрицательным по отношению к сигналу, соответствующему 1. Для получения оптимальных характеристик следовало бы модулировать колебание несущей двухуровневым сигналом в виде симметричных импульсов постоянного тока. Как показано на рис. 6.4, при такой форме модуляции образуются два идентичных сигнала, отличающиеся только фазой (сдвигом фазы на 180°). Отсюда эту форму модуляции называют двухуровневой фазовой манипуляцией (2-ФМ). В классической терминологии модуляции передачу сигналов методом 2-ФМ относят к классу систем модуляции с двумя боковыми. Однако в некоторых системах модуляции цифровыми сигналами, имеющих близкое отношение к 2-ФМ, прямое умножение колебания несущей на цифровой сигнал в виде импульсов постоянного тока называют амплитудной модуляцией. Вследствие этого для сохранения чистоты терминологии можно рассматривать 2-ФМ как специальную форму AM. Отметим, однако, что сигнал 2-ФМ нельзя детектировать с помощью детектора огибающей. Вместо этого сигнал с 2-ФМ необходимо детектировать путем сравнения его с когерентным колебанием опорной несущей. Когерентное детектирование заключается в сопоставлении входного сигнала с колебаниями местной несущей, синхронизированными по фазе с теми, которые использовались в передатчике. При обычной AM информация в фазе не содержится. Однако при передаче сигналов методом 2-ФМ вся информация содержится в фазе. Использование когерентных опорных колебаний для сигналов с 2-ФМ позволяет получить оптимальную характеристику ошибок (такую же, как для противоположных сигналов). Чтобы допустить когерентное детектирование в приемнике, в передатчике необходимо модулировать колебание несущей когерентно по фазе. Основное соотношение, определяющее сигнал с 2-ФМ, имеет вид x(t) = m2(tJcosi£)J, (6.3) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 [50] 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |
|