Виды модуляции, применяемые в радиорелейных и спутниковых системах передачи

Технико-экономические показатели радиорелейных (РРСП) и спут­никовых (ССП) систем передачи и особенности построения оконечного оборудования ствола, приемопередающей аппаратуры во многом определяются выбранным видом модуляции высокочастот­ной несущей многоканальным (групповым) сигналом. Последний может быть сформирован:

1) с помощью каналообразующего оборудования и оборудования формирования групп каналов и трактов аппаратуры аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК) с помощью однополосной амплитудной модуляции;

2) с использованием каналообразующего оборудования анало­говых систем передачи с временным разделением каналов (СП с ВРК) с помощью фазоимпульсной модуляции;

3) с помощью каналообразующего оборудования и оборудования формирования типовых потоков цифровых систем передачи (ЦСП) с использованием импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей.

В системах передачи сигналов телевидения полный телевизион­ный сигнал формируется с помощью оборудования телевизионного ствола на оконечных радиорелейных или земных спутниковых станциях и затем модулирует высокочастотную несущую.

Формирование высокочастотной несущей или высокочастотного радиосигнала осуществляется в оконечном оборудовании ствола.

Основными показателями, характеризующими виды модуляции в РРСП и ССП (далее радиосистемы передачи - РСП), являются поме­хоустойчивость в отношении тепловых шумов, эффективность исполь­зования занимаемой полосы частот, степень подверженности переда­ваемых сигналов влиянию неидеальности характеристик ствола -линейного тракта, сложность построения приемопередающей аппа­ратуры и соответствующих модуляторов и демодуляторов (модемов).

Частотная модуляция в аналоговых РСП. В аналоговых СП с ЧРК и телевидения в основном применяется частотная модуля­ция (ЧМ).

При ЧМ основной причиной нелинейных искажений сигналов в радиоканале, приводящих к взаимным влияниям между каналами в СП с ЧРК, является нелинейность ФЧХ, в то время как при обычной AM и AM с передачей одной боковой полосы (АМ-ОБП) частот основной причиной нелинейных искажений является нелинейность АХ. Так как компенсация нелинейности ФЧХ выполняется более простыми методами, чем компенсация нелинейности АХ, то приемопередаю­щая аппаратура при использовании ЧМ в РСП оказывается более простой, чем при AM и АМ-ОБП. Кроме того, ЧМ обладает большей помехоустойчивостью в отношении теплового шума и внешних помех по сравнению с AM и АМ-ОБП, если индекс ЧМ не слишком мал (в малоканальных РСП с числом каналов ТЧ не более 120).

При ЧМ мгновенная частота f (t) модулированного радиосигнала u_ЧM(t) изменяется в соответствии с модулирующим сигналом с (t):

(1)

где f₀- частота несущей; A f (f) - отклонение частоты под воздейст­вием модулирующего сигнала (девиация частоты): К_ЧМ - крутизна модуляционной характеристики частотного модулятора, Гц/В.

Общее выражение для ЧМ радиосигнала имеет вид

(2)

где U_o- постоянная амплитуда радиосигнала.

Основными характеристиками ЧМ радиосигнала являются: де­виация частоты, индекс частотной модуляции и ширина спектра, необходимая для неискаженной передачи. Поскольку основной загрузкой радиостволов являются групповые телефонные сигналы СП с ЧРК, то и рассмотрим характеристики ЧМ радиосигнала для этого вида загрузки.

Эффективная девиация частоты соответствует средней мощности W_cp группового сигнала и эффективной девиации частоты на канал Af_K (соответствующей измерительному уровню сигнала в одном канале ТЧ) и определяется по формулам

(3)

и (4)

где N - число каналов соответствующей СП с ЧРК. Величина f_K обычно нормируется и в зависимости от N может изменяться в пределах 35...200 кГц.

Эффективное значение индекса ЧМ М_эф определяется отноше­нием эффективной девиации частоты к верхней частоте F_e спектра группового телефонного сигнала, т. е,

(5)

Для характеристики ЧМ радиосигнала используются также понятия квазипиковых девиации частоты и индекса модуляции, соответст­вующие квазипиковой мощности группового сигнала, превышаемой с вероятностью не более 10 ^-3и соответственно равным:

(6)

Важной характеристикой ЧМ радиосигнала является ширина его спектра, определяющая необходимую полосу пропускания радиока­нала П_ЧМ. При передаче сигналов многоканальной телефонии мини­мальная необходимая полоса частот должна определяться исходя из минимально допустимого уровня переходных помех, возникаю­щих из-за ограничения спектра

(7)

где q_ЧM - параметр, зависящий от уровня переходных помех.

На рис. 6 приведены значения q_4M в зависимости от М_эф для двух значений мощности переходных помех в верхнем (по спектру) телефонном канале: W_пп = 1 пВт и W_пп = 10 пВт.

На практике для приближенной оценки необходимой полосы час­тот часто пользуются следующей эмпирической формулой Карсона

(8)

Значения основных параметров ЧМ радиосигнала РСП при пе­редачи сигналов многоканальной телефонии для различной емко­сти группового сигнала приведены в табл.1.

Рис. 6. Зависимость параметров q_чм от эффективного значения индекса ЧМ М_ЭФ

Таблица 1

Как видно из табл. 1, в большинстве случаев применяется час­тотная модуляция с М_эф не более1.

При передаче сигналов телевидения характеристики ЧМ радио­сигнала зависят от соответствующих параметров сигналов изобра­жения и звукового сопровождения. Для сигнала изображения верх­няя частота спектра F_в, размах сигнала, а, следовательно, макси­мальная девиация частоты ∆f_K известны: F_в = 6 МГц, ∆f_K = 4 МГц.

Индекс ЧМ равен М_и = ∆f/F_в = 4/6= 0,67, а необходимая полоса частот, определенная по формуле Карсона, равна П_{чм тв} = 2(F_в + ∆f_K) = 2(6 + 4) = 20 МГц или П_{чм тв} = 2F_в (1 + М_и) = 2 х 6(1+0,67) = 20 МГц.

Если в одном стволе передаются сигналы изображения, звуково­го сопровождения и звукового вещания с использованием частотно­го разделения, то верхняя частота модулирующего сигнала, эффек­тивная девиация частоты и необходимая полоса частот возрастут.

Манипуляция в цифровых РСП. Модуляцию в цифровых РСП принято называть манипуляцией. В зависимости от числа уровней модулирующего (манипулирующего) сигнала различают двухуров­невую (двоичную) и многоуровневую манипуляцию.

Для многих видов манипуляций, применяемых в цифровых ра­диорелейных системах передачи, предполагается использование манипулирующих сигналов, отличающихся по структуре от исходно­го передаваемого двоичного сигнала. Формирование указанных манипулирующих сигналов осуществляется специальным кодирую­щим устройством - кодером модулятора. При демодуляции радио­сигнала на приемном конце с помощью декодера демодулятора производится обратное преобразование, в результате чего форми­руется исходный двоичный сигнал. Декодированию, естественно, предшествует регенерация сигнала. Совокупность кодера модуля­тора и декодера демодулятора образует модем для цифровой РСП, обобщенная схема которого приведена на рис. 7.

Рис. 7. Функциоанальная схема модема цифровой РСП

В современных цифровых радиорелейных и спутниковых системах передачи применяются амплитудная, фазовая, частотная и комбини­рованная амплитудно-фазовая манипуляции.

Амплитудная манипуляция - AM. Хотя этот вид манипуляции в современной цифровой радиосвязи встречается весьма редко, он еще служит удобной основой для введения некоторых основных понятий. В настоящее время находит применение лишь двоичная AM.

Манипулирующим (модулирующим) сигналом в цифровых систе­мах радиосвязи является случайная последовательность «1» (токовая посылка) и «0» (пауза - бестоковая посылка). Радиосигнал с AM может быть представлен в следующей несколько упрощенной форме:

(9)

где U_н (/) - модулирующая случайная двоичная последовательность видеоимпульсов (часто, не обязательно, прямоугольной формы), -частота несущего радиочастотного колебания.

Пример радиосигнала для случайной двоичной последователь­ности прямоугольных видеоимпульсов показан на рис. 8, где T -длительность элемента исходного двоичного сигнала.

Рис. 8. Форма сигналов при амплитудной модуляции

Для сигналов AM самым распространенным является некоге­рентный прием, включающий в себя измерение амплитуды оги­бающей на выходе узкополосного фильтра. Модуляция и демоду­ляция сигналов в системах с двоичной AM не требует специального кодирования и декодирования.

Минимальная полоса частот П_АМ, необходимая для передачи AM радиосигнала, численно равна скорости передачи цифровой информации 8 (частоте следования передаваемых элементов исходного двоичного сигнала)

(10)

Эффективность использования полосы частот характеризуется максимальной удельной скоростью передачи при двоичной AM и равна S_AM = В/П_АМ.

Фазовая манипуляция - ФМ. При ФМ манипулируемым парамет­ром высокочастотной несущей радиоимпульса является ее фазаt. В современных РСП применяются двоичная, четырехуровневая и восьмиуровневая ФМ. При демодуляции фаза ФМ радиосигнала сравнивается с фазой восстановленного на приемном конце опор­ного колебания (несущей). Из-за случайных искажений радиосигна­ла имеет место неопределенность фазы восстановленной несущей, что является причиной, так называемой обратной работы, при которой двоичные посылки принимаются «в негативе». Для устра­нения влияния неопределенности фазы применяется разностное кодирование фазы передаваемых радиоимпульсов. Фазовую мани­пуляцию с разностным кодированием фазы называют фазоразно-стной или относительной фазовой манипуляцией (ОФМ). В циф­ровых радиорелейных системах передачи с ОФМ при передаче информации кодируется не сама фаза радиосигнала, а разность фаз (фазовый сдвиг) двух соседних радиоимпульсов.

Структура ОФМ радиосигнала для двухуровневой ФМ представ­лена на рис. 9.

Рис. 9. Структура двухуровневого ОФМ радиосигнала

Из рис. 9 следует, что фаза несущего колебания изменяется от­носительно ее предыдущего состояния на при передаче «1» и остается неизменной при передаче «0».

Применяются два способа демодуляции ОФМ радиосигналов. В первом случае вначале восстанавливается несущая и когерентно детектируется ОФМ радиосигнала, затем разностно (дифференци­ально) декодируются принимаемые сигналы. При таком способе демодуляции операции детектирования и декодирования разделе­ны и выполняются последовательно. Второй способ предполагает дифференциально-когерентное (автокорреляционное) детектиро­вание ОФМ радиосигнала, при котором в качестве опорного колеба­ния используется предшествующий радиоимпульс. При этом опера­ции детектирования и декодирования совмещены.

Ширина спектра ОФМ радиосигнала зависит от скорости переда­чи информации Б и числа уровней манипуляции М. Необходимая для ОФМ радиосигнала минимальная полоса пропускания равна.

(11)

Обычно полосу пропускания выбирают несколько большей, т.е. Пофм = (1,1...1,2) B/log₂ M. Из (11) следует, что при увеличении числа уровней манипуляции полоса частот, необходимая для пере­дачи ОФМ радиосигнала, уменьшается. Так, при ОФМ-4 (М = 4) полоса частот вдвое меньше, чем при ОФМ при одинаковой скоро­сти передачи информации. Максимальная эффективность исполь­зования полосы частот при ОФМ равна

Частотная манипуляция - ЧМ. При ЧМ модулируемым (манипу-лируемым) параметром является частота высокочастотного заполнения радиоимпульса. В РСП применяются двоичная, трехуровневая (при использовании квазитроичных кодов), четырехуровневая и восьмиуров­невая ЧМ. Пример простейшей двухуровневой ЧМ показан на рис. 10.

Рис. 10. Форма сигнала при частотной манипуляции:

а - манипулирующий сигнал; б - частотно-манипулирующий

сигнал - радиосигнал ЧМ

В большинстве РСП с частотной манипуляцией используются модулирующие колебания прямоугольной формы, причем амплитуды несущих остаются постоянными. Для этого случая радиосигнал имеет вид

(12)

Полоса частот необходимая для передачи ЧМ радиосигнала П_чм, и эффективность ее использования S_ЧМ зависят от скорости пере­дачи информации В, числа уровней М и максимальной девиации частоты f_M и равны, соответственно

(13)

(14)

где f_M - максимальная девиация частоты, за висящая от М, а - максимальный индекс ЧМ.

При демодуляции ЧМ радиосигналов применяется некогерентное детектирование, причем обычно используются те же частотные детекторы, что и в аналоговых РСП с ЧМ.

Большой интерес представляет применение частотной мани­пуляции с минимальным сдвигом (ЧММС), являющейся частным случаем манипуляции с непрерывной фазой, при которой фаза манипулированного радиосигнала изменяется непрерывно и не имеет скачков на границах радиоимпульсов. При ЧММС для пере­дачи «1» и «-1», как при обычной двоичной ЧМ, используются две частоты, однако разнос между ними выбирается так, чтобы за вре­мя длительности элемента T фаза манипулированного радиосигна­ла изменялась ровно на л/2. При этом если передается «1», то частота радиосигнала f = f₀ + 1/4 Т, так что в момент окончания радиоимпульса его фаза получает сдвиг π/2. При передаче «-1» частота радиоимпульса f = f₀- 1/4Т, в результате чего фаза радио­импульса в момент его окончания приобретает сдвиг π/2. Таким образом, ЧММС весьма похожа на ОФМ, при которой фаза манипу­лированного радиосигнала также изменяется на π/2 в течение каждого интервала Т. Отличие состоит лишь в том, что

при ЧММС фаза изменяется не скачкообразно, а непрерывно.

При демодуляции ЧММС радиосигналов используется когерент­ное детектирование. Помехоустойчивость ЧММС близка к помехо­устойчивости двоичной ОФМ, а эффективность использования полосы частот примерно такая же, как при четырехуровневой ОФМ.

Амплитудно-фазовая манипуляция - АФМ. При АФМ манипулируемым (представляющим) параметром является комплексная амплитуда радиосигнала. Формирование М-уровневого АФМ сигна­ла может быть реализовано путем М^0,5-уровневой балансной ам­плитудной манипуляции синфазной и квадратурной составляющих сигнала одной частоты и сложения полученных AM радиосигналов. По этой причине АФМ часто называют квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ).

Минимальная необходимая полоса частот П_АФМ и максимальная эффективность использования полосы S_АФМ определяются так же, как в случае многоуровневой ФМ (ОФМ).

Сравнительная оценка качественных показателей различных ви­дов манипуляции, применяемых в цифровых РСП, приведена в табл. 2.

Таблица 2

Интересно ориентировочно сравнить эффективность использо­вания полосы частот цифровых и аналоговых РСП. Если в цифро­вых системах используется ИКМ со скоростью передачи основного цифрового канала 64 кбит/с, то в системах с AM и ОФМ-2 (двух­уровневая) максимальная емкость ствола с полосой 40 МГц состав­ляет 625 каналов тональной частоты (КТЧ), с ОФМ-4 (четырехуров­невая) и ЧММС - 1250 КТЧ, с ОФМ-8 - 1875 КТЧ, наконец, при использовании АФМ-16 - 2500 КТЧ. Максимальная достигнутая в настоящее время емкость аналоговых систем с ЧМ при той же полосе составляет 3600 КТЧ. Таким образом, можно считать, что эффективность использования полосы частот в наиболее совер­шенных цифровых РСП приближается к эффективности аналоговых систем с ЧМ. В РСП с малой и средней пропускной способностью эффективность использования полосы частот в цифровых системах не ниже, чем в аналоговых системах с ЧМ.

Среди рассмотренных видов манипуляций наибольшей просто­той реализации отличаются двоичные AM и ЧМ, а также трехуровневая и четырехуровневая ЧМ при использовании частотного дис­криминатора для демодуляции сигналов. Сравнительно просто реализуются ОФМ-2 и ОФМ-4 при дифференциально-когерентном детектировании сигналов, основные сложности связаны с необхо­димостью восстановления опорного колебания на приемном конце. Наибольшие трудности возникают при использовании ОФМ-8 и АФМ-16, причем в последнем случае возникают дополнительные трудности, связанные с необходимостью обеспечения высокой линейности амплитудной характеристики всего линейного тракта.

Двоичные некогерентные AM и ЧМ применяются в РСП с малой пропускной способностью, а также в перевозимых РРСП, двоичная ОФМ - в РСП с малой и средней пропускной способностью. Широ­кое применение в РСП с различной пропускной способностью на­шли ОФМ-4. Наряду с ОФМ-4 АФМ-16 становится основным видом манипуляции для цифровых РСП с высокой пропускной способно­стью. Для передачи цифровых сигналов в аналоговых РСП приме­няются двоичная и многоуровневая ЧМ с числом уровней М = 3, 4 и 8 при использовании аналогового частотного детектора для демо­дуляции.