Модели радиосигналов

В радиоэлектронике объектом изучения являются электрические сигналы, представляющие собой колебания электрического тока (напряжения). Электрический сигнал, содержащий информацию, называется сообщением. Сообщение, образованное преобразователем информации в электрический сигнал, является, как правило, медленно меняющейся функцией времени.

Для повышения эффективности передачи информации используют высокочастотные колебания, параметры которого меняются по закону сообщения. Такие сигналы называются модулированными или радиосигналами. В примере, показанном, радиосигнал s(t) с амплитудной модуляцией содержит сообщение, которое описывается огибающей (пунктирная линия) высокочастотного колебания.  В свою очередь огибающая воспроизводит электрический ток i(t) в выходной цепи микрофона и соответствующее ему изменение звукового давления p(t) на его мембрану. Описание сигналов осуществляется с помощью математических моделей: функций, цифр, векторов.

При аналоговом представлении сигналов сообщение описывается функциями времени. Функция непрерывного аргумента s(t) задается на некотором непрерывном интервале времени, причем значения функции определены для всех t на этом интервале времени, за исключением моментов разрыва непрерывности. Сообщение в аналоговой форме может описываться одной функцией s(t), или упорядоченной совокупностью функций (векторная функция):

Дискретно–аналоговое представление сообщения, осуществляемое путем дискретизации аналогового сигнала, описывается упорядоченной совокупностью величин sк (tк), где к = 1, 2 … n, каждая из которых может иметь любое значение в моменты tк: 

Цифровой сигнал образуется путем округления значений sк(tк) до некоторого значения внутри интервала и преобразования в цифровую форму. Переход от непрерывной шкалы координат сообщения к шкале фиксированных (квантованных) значений называют квантованием. На рис.10 - представлены процессы преобразования сигналов из аналогового в квантованный.

По роли в передаче информации сигналы можно разделить на полезные и мешающие (помехи). Помехи искажают полезную информацию.  Сигнал называется детерминированным, если задано его описание в виде функции (аналоговой, дискретной или цифровой).  Если предсказать заранее изменение сигнала нельзя, сигнал называется случайным. В этом случае функция сигнала в целом, либо некоторые ее параметры, не известна, но могут быть известны некоторые вероятностные характеристики сигнала.

Среди детерминированных сигналов выделяют периодические, для которых выполняется условие

s (t) = s (t + T), где Т – минимальный период повторения сигнала.  Для анализа прохождения сигналов через радиоэлектронные цепи используют различные модели детерминированных сигналов, или тестовые сигналы (действительные и комплексные):

• а) постоянный сигнал 
• б) гармонический сигнал 
• в) комплексный (аналитический) сигнал
• г) функция включения (функция Хевисайда)
• д) дельта  –  функция (функция Дирака)

При анализе прохождения сигналов через линейные цепи можно сложный сигнал представить в виде суммы простых (тестовых) сигналов и рассматривать реакцию на каждое слагаемое отдельно, суммируя затем результат. На этом принципе основаны различные методы анализа линейных цепей.  Электромагнитной совместимостью ЭМС радиоэлектронных средств называют способность этих средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех другим радиоэлектронным средством.Причины актуальности ЭМС:

• 1.Увеличение числа одновременно действующих и повышение мощности радиопередающих устройств. Рост мощности на основной рабочей частоте сопровождается увеличением мощности нежелательных излучений, которые присутствуют в спектре.
• 2.Перегрузка диапазона радиочастот.
• 3.Рост энерговооруженности народного хозяйства.
• 4.Усложнение электромагнитной обстановки на подвижных объектах - самолетах, судах, автомобилях.

 Помехи. Помехи, искажающие сигнал, подразделяют на аддитивные и мультипликативные (модулирующие). Аддитивной помехой n(t) называется такая помеха, которая входит в смесь сигнала с помехой в качестве слагаемого       Для неаддитивных помех смесь сигнала с шумом запишется   где ν(t)- мультипликативная помеха. Наиболее важной из аддитивных помех является собственный шум радиоприемного устройства, всегда присутствующий на его входе. Шум является случайной функцией времени и его можно считать стационарным случайным процессом. Собственный шум обладает равномерным энергетическим спектром во всем диапазоне частот от 0 до бесконечности. Такой шум называют белым. Радиопомеха - это электромагнитная помеха в диапазоне радиочастот 9кГц…3000ГГц, интенсивность всех помех измеряют в единицах напряженности электрического поля В/м, мВ/м, мкВ/м, в единицах плотности потока мощности: Вт/м2, мВт/м2, мкВ/м2; можно использовать логарифмические единицы: дБмкВ/м, дБмВт/м2 (измерение по отношению к 1 мкВ/м или 1 мВт/м2). Источником электромагнитных помех является работающий передатчик, который создает за пределами основной полосы частот внеполосные и побочные излучения. Внеполосное возникает из-за модуляции несущей внутренними шумами каскадов передатчика (шумовое излучение в широкой полосе частот). Радиоизлучения на частоте nfo, где n =2, 3… (кратных основной частоте) называются излучениями на гармониках. В передатчиках многих типов рабочая частота образуется за счет умножения частоты задающего генератора на целое число, в таких передатчиках в спектре присутствуют побочные излучения на субгармониках с частотами fсуб = fo / n, где n =2, 3… При воздействии колебаний основной частоты, субгармоник и гармоник на нелинейные элементы передатчика образуются комбинационные частоты.

Комбинационные частоты, возникающие в результате воздействия на нелинейные элементы высокочастотного тракта передатчика внешнего электромагнитного поля называются интермодуляционными. Из всех побочных излучений наиболее мощными являются излучения на гармониках. Для большинства РЭС уровень приемлемой помехи на 20…40 дБ ниже уровня сигнала.

Побочными каналами приема называют те полосы частот, в пределах которых сигналы с небольшими затуханиями проходят на выход приемника. К ним относятся зеркальный канал, каналы комбинационных частот, канал приема на промежуточной частоте и др. В супергетеродинном приемнике основной канал приема на промежуточной частоте образуется как: fпч =| fг - fo|, где fг - частота гетеродина, fo - частота полезного сигнала; Если на вход приемника поступает сигнал с частотой fkm = |mfг +(-) fпч| m =1,2,3.., то для него также будет выполняться условие: fпч = |fkm - mfг| Т.е. образуются комбинационные каналы приема с частотами fkm, при m = l получается, что fo и fk1 расположены симметрично относительно fг и полоса частот вблизи fk1 называется зеркальным каналом, степень ослабления помех, поступающих по побочным каналам приема называется избирательностью приемника и определяется отдельно по каждому из побочных каналов.

Интермодуляция - это возникновение помех на выходе приемника при действии на входе двух или более сигналов радиопомех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема, эти помехи учитывают при небольшом порядке (третий, реже пятый).

Задачи повышения помехоустойчивости:

• 1. Повышение отношения сигнал/помеха на входе приемника за счет уменьшения ослабления сигнала по направляющей системе, увеличения коэффициента усиления антенн, повышения КПД ввода в волноводы, световоды, установки режима бегущей волны в длинной линии и т,д.
• 2. Оптимальная обработка сигналов в приемнике .
• 3. При передаче дискретных сообщений для повышения помехоустойчивости осуществляется переход от ЧМн к ОФМн, а при передаче непрерывных сообщений - от АМ к ОМ или ЧМ, перспективными являются цифровые способы передачи аналоговых сигналов (например, ИКМ).
• 4. Разнесенный прием - когда сообщение передается по различным каналам связи, мгновенное отношение сигнал/помеха в каналах разное, а далее происходит автовыбор канала с лучшим отношением сигнал/помеха.Применяют разнесение во времени, по частоте, фазе, поляризации, в пространстве, прием на разнесенные антенны (на расстояние d>30λ) широко используется для борьбы с замираниями сигнала в КВ диапазоне.
• 5. Использование обратной связи - особенно при передаче дискретных сигналов, где обратный канал используется для повышения качества передачи по прямому каналу. Различают системы с информационной ИОС и решающей РОС обратной связью.

При ИОС принятое сообщение по обратному каналу передается к источнику, где сравнивается с переданным, при наличии ошибок и неточностей передается снова и т.д. Процесс повторяется до получения требуемого качества. При РОС ошибки выявляются с помощью обнаруживающих кодов, далее формируется команда, которая передается по обратному каналу и источник повторяет передачу не всего сообщения, а только ошибочно принятых символов. Согласно теореме К.Шеннона с помощью корректирующих кодов можно достичь абсолютного качества передачи, т.е. исправить все ошибки, пока таких кодов нет, но корректирующие коды используются в высококачественных системах связи (например, спутниковых).