Федеральное агентство связи РФ

Федеральное агентство связи РФ

А.В. Черепанова

Частотное разделение каналов

методические указания

к лабораторной работе № 3

Новосибирск

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать принципы частотного объединения каналов связи на передающей стороне, а также их разделения на приеме.

2. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

2.1. Изучите теоретический материал на тему «частотное разделение каналов».

2.2. Используя данные таблицы 2.1, в соответствии с номером варианта, выберите частоты несущих колебаний для осуществления принципа частотного объединения каналов.

2.3. Подготовьте ответы на контрольные вопросы.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Катунин Г. П. Основы телекоммуникаций. Учебное пособие. Новосибирск: СибГУТИ, 2006. – 546 с.:ил.

Таблица 2.1 – Варианты значений исходных сигналов.

№ бригады
FС, Гц
Вид сигнала	U= U0sin w0 t

3. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

3.1. Ознакомиться с методикой проведение измерений в среде LabVIEW.

3.2. В соответствии с вариантами заданий таблицы 2.1

Исследовать временные и спектральные диаграммы:

1) исходных аналоговых сигналов;

2) сигналов на выходах модуляторов;

3) сигнала на выходе сумматора;

4) сигналов на выходах полосовых фильтров на приеме;

5) сигналов на выходах детекторов;

6) сигналов на выходах фильтров нижних частот.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Структурная схема многоканальной системы передачи с частотным разделением каналов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема проведения измерений

Процесс частотного объединения каналов осуществляется следующим образом: аналоговые сигналы от генераторов поступают на амплитудные модуляторы, модуляторы осуществляют перенос исходных низкочастотных сигналов в высокочастотную область. Амплитудно-модулированные сигналы подаются на сумматор, в котором формируется сигнал для передачи по каналу связи. Каждый из модулированных сигналов занимает определенную полосу частот, так как частоты несущих разные спектры сигналов не перекрываются и не искажают друг друга.

На приеме суммарный сигнал подается на полосовые фильтры, которые «вырезают» определенную полосу частот из суммарного спектра. Далее сигналы следуют на детекторы, где восстанавливаются исходные низкочастотные сигналы. После этого ФНЧ сглаживает высокочастотные компоненты, и на выходе получается исходный сигнал.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1. Запустить программу LabVIEW. После завершения загрузки командного окна необходимо выбрать раздел Open и далее «Частотное разделение каналов». После загрузки передней панели лабораторной работы выберите меню Window, далее Show Block Diagram. Перед вами откроется функциональная схема лабораторной работы.

5.2. Установите частоту сигналов в генераторах сигналов 1,2,3, в соответствии с вариантом задания. Для этого откройте параметры блока Генератор сигналов двойным щелчком мыши. В параметрах генератора сигналов, в разделе Frequency установите свою частоту сигнала, после чего нажмите OK.

5.3. Установите выбранные частоты несущих в блоках генераторов несущей частоты 1,2,3. Для этого откройте параметры блока Генератор несущей частоты, и в параметрах блока установите несущую частоту.

5.4. Установите нижнюю и верхнюю частоты среза в блоках полосовой фильтр 1, 2, 3, в соответствии с выбранными частотами полосами частот модулированных сигналов, для этого откройте параметры блока полосовой фильтр и установите нижнюю частоту среза в разделе Low cutoff Frequency, и верхнюю частоту среза High cutoff Frequency.

5.5. Зарисуйте временные диаграммы на выходе каждого блока, для этого поочередно подключайте осциллограф к узлам схемы. (При этом, чтобы избежать ошибок, рекомендуется удалять старые связи осциллографа и создавать новые).

5.6. Зарисуйте спектральные диаграммы на выходе каждого блока, для этого подключите осциллограф к анализатору спектра. Анализатор спектра подключайте к узлам схемы.

После подключения необходимо запустить работу программы, для чего нажмите кнопку run или run continuously вверху на панели инструментов (либо в меню Operate команду run).

Для остановки программы нажмите кнопку на передней панели, или нажмите кнопку stop вверху на панели инструментов (либо в меню Operate команду stop).

Просмотреть осциллограммы можно на передней панели.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

6.1. Цель работы.

6.2. Обобщённая структурная схема многоканальной системы передачи с временным разделением каналов.

6.3. Временные диаграммы исследуемых сигналов.

6.4. Выводы по работе.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

7.1. Поясните принцип частотного разделения каналов ЧРК.

7.2. Приведите спектральные диаграммы, иллюстрирующие принцип ЧРК.

7.3. Из каких соображений выбираются несущие частоты передаваемых сигналов?

7.4. Каким образом осуществляется разделение сигналов на приёмной стороне?

7.5. Поясните принцип амплитудной модуляции.

7.6. Поясните принцип частотной модуляции.

7.7. Поясните принцип импульсной модуляции.

а) широтно-импульсной;

б) фазо-импульсной;

в) частотно-импульсной.

7.8. Каковы достоинства и недостатки:

а) амплитудной модуляции;

б) частотной модуляции.

7.9. Поясните принцип детектирования АМ и ЧМ сигнала?

7.10. Каким образом происходит восстановление исходной формы детекти-рованного НЧ колебания?

ПРИЛОЖЕНИЕ

МОДУЛЯЦИЯ И ЕЁ РАЗНОВИДНОСТИ

Общие понятия о модуляции. Может возникнуть вопрос, нельзя ли для того чтобы передать с помощью радиоволн человеческую речь или музыку, звуковые колебания превратить в электрические, а последние с помощью ан­тенны преобразовать в электромагнитные волны, чтобы затем в приемном пункте электромагнитные волны снова превратить в звуковые?

Звуковые колебания, воспринимаемые человеческим слухом, лежат в полосе частот от 20 до 20000 Гц, то есть такие колебания создадут волны длиной от 15000 до 15 км. Антенны же могут эффективно излучать электромагнитные колебания только тогда, когда их размеры соизмеримы с длиной волны. По­этому передача колебаний с такими длинами волн оказывается практически невозможной.

Если учесть, что можно построить антенны с размерами, не превышаю­щими нескольких сотен метров, то становится ясно, что для радиосвязи можно использовать волны длиной не более нескольких километров. Такие электро­магнитные волны создаются колебаниями с частотами, во много раз превы­шающими частоты звуковых колебаний. Поэтому их можно использовать толь­ко в качестве переносчиков полезных звуковых сигналов.

Однако сами по себе колебания высокой частоты информацию не несут. Посылать их по линии связи бесполезно. Так же бесполезно, как посылать те­леграмму с адресом, но без текста: она дойдет сравнительно быстро, но ее по­лучатель сведений не получит.

Таким образом, в нашем распоряжении есть сообщение, содержащее информацию, но не способное дойти до получателя. Есть и высокочастотное колебание, которое найдет своего получателя, но не принесет ему информа­цию. Как соединить вместе необходимые качества сообщения и безынформа­тивного колебания?

Единственный способ – попытаться наложить на высокочастотное коле­бание отпечаток сообщения, то есть использовать высокочастотное колебание лишь в роли переносчика сообщения, содержащего информацию. С этой це­лью нужно изменять один или несколько признаков – параметров несущего колебания в соответствии с изменениями сообщения. Тогда мы получим высо­кочастотное колебание с меняющимися во времени параметрами по закону передаваемого сообщения. Рассмотренный процесс называется модуляцией.

Итак, модуляция – это процесс наложения передаваемого сообщения на параметры высокочастотного колебания, называемого переносчиком или не­сущей.

Возьмем в качестве переносчика гармоническое высокочастотное коле­бание

u(t) = Usin(ωt + φ₀).

У него три независимых параметра: амплитуда U, частота ω и началь­ная фаза φ₀. В соответствии с этим возможны три вида модуляции: амплитуд­ная (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ). Значит, необходимо заставить пере­численные параметры изменяться во времени по закону сообщения – модули­рующего колебания. Начнем с наиболее простого вида модуляции – амплитуд­ной. Однако, несмотря на сравнительную простоту без формул нам с вами не обойтись.

Амплитудная модуляция. Предположим, что нужно передать простой звуковой сигнал одного тона (частоты) и постоянной амплитуды. Для этого, прежде всего, необходимо превратить акустические (звуковые) колебания в электрические. Задача эта обычно решается с помощью микрофона. Полученное от микрофона переменное напряжение непосредственно или после усиле­ния подается на модулятор. Это напряжение изменяется по закону (рисунок 2, а)

u_зв = U_Ω sinΩt.

При амплитудной модуляции амплитуда высокочастотных колебаний (рисунок 2, б) должна изменяться в соответствии с этим законом (рисунок 2, в), то есть убывать при отрицательном полупериоде напряжения сигнала и возрастать при положи­тельном:

U = U₀+U_Ω sinΩ,

где U – мгновенное значение амплитуды высокочастотных колебаний; U₀ – амплитуда высокочастотных колебаний при отсутствии модуляции, то есть звуковой сигнал, воздействующий на микрофон, не поступает, и U_Ω – максимальное от­клонение амплитуды от значения U₀ при воздействии звукового сигнала на микрофон.

Это выражения часто записывают в виде:

Относительное максимальное изменение амплитуды высокочастотных колебаний называют коэффициентом (глубиной) модуляции:

=М_АМ.

Его часто выражают в процентах: 100 = М_АМ, %.

Уравнение высокочастотных колебаний, модулированных по амплитуде, можно записать в виде:

u = U sinωt = U₀(1+M_AM sinΩt)sinωt.

Для упрощения считаем, что начальная фаза высокочастотного колеба­ния равна нулю.

Раскрыв скобки, получим

u = U₀ sinωt + U₀ M_MA sinΩt sinωt.

Рисунок 2 – Амплитудно-модулированные колебания:

а – модулирующее напряжение;

б – несущее колебание;

в – модулирован­ное колебание.

Так как sinα cos β =(cos(α–β) – cos(α+β))/2, то уравнение амплитудно-модулированного (далее будем говорить AM) колебания может быть представ­лено в виде

Из этой формулы видно, что модулированный сигнал состоит из трех высокочас­тотных колебаний (при модуляции сигналом одной частоты постоянной ам­плитуды). Наибольшей амплитудой обладают колебания с частотой ω, которую принято называть несущей частотой. Две другие составляющие имеют одина­ковые амплитуды, не превышающие половины амплитуды колебаний несущей частоты. Эти составляющие расположены ниже и выше несущей частоты и от­личаются от нее на значение, равное частоте модулирующего сигнала. Эти час­тоты принято называть соответственно нижней и верхней боковыми частота­ми.

Спектр модулирующего сигнала и спектр AM сигнала показаны на рисунке 3, а. Если первичный сигнал сложный и его спектр состоит из множества час­тот от Ωмин до Ωмакс, то спектр AM колебания будет состоять из несущего колебания и двух боковых полос, симметричных относительно несущей (рисунок 3, б).

Рисунок 3 – Спектры первичных (модулирующих) и AM сигналов

Из рисунка видно, что при передаче модулированных колебаний происходит излучение целого спектра частот, границы которого определяются мак­симальной верхней и минимальной нижней боковыми частотами f + Fмакс и f – Fмакс. Следовательно, при амплитудной модуляции передатчик занимает по­лосу частот, ширина которой равна двум максимальным частотам модуляции 2F_макс.

Когда говорят, что радиостанция работает на какой-либо частоте, то имеют в виду ее несущую частоту. Понятно, что две радиостанции не могут ра­ботать без взаимных помех, если их несущие частоты различаются меньше, чем на сумму их максимальных частот модуляции.

К достоинствам амплитудной модуляции следует отнести сравнительно узкую полосу частот АМ-сигнала, а также простоту модулятора и приемника AM сигналов. Это делает данный вид модуляции удобным для массового ра­диовещания, и он там широко применяется.

Но амплитудная модуляция имеет и недостатки.

1. Низкая эффективность использования мощности передатчика. Из (1) и рисунка 3, видно, что как минимум половина мощности передатчика затрачива­ется на передачу несущей частоты, которая в принципе не содержит информа­ции о передаваемом сообщении.

2. Малая помехоустойчивость (способность модулированных сигналов противостоять вредному воздействию помех) AM сигнала. Так, если по пути распространения радиоволн, возникнет помеха, совпадающая с полезным сиг­налом по спектру, она добавится к полезному сигналу и беспрепятственно по­ступит на радиоприемник.

Частотная модуляция. Частотной модуляцией называется процесс из­менения частоты высокочастотного колебания в соответствии с колебаниями передаваемого (модулирующего) сигнала звуковой частоты. В простейшем случае модуляции синусоидальным сигналом частота высокочастотного коле­бания изменяется около среднего значения ω₀ закону модулирующего сиг­нала

u = U₀sin(ω₀ +ΔωsinΩt)t

где ω₀ = 2πf₀ – средняя частота высокочастотного колебания (несущая); Ω = 2πF – частота модуляции; Δω = 2πΔf₀ – амплитуда частотного отклоне­ния или девиация частоты.

Графики, поясняющие процесс частотной модуляции, приведены на рисунке 4. Верхний из них отображает модулирующее колебание, средний – частотно-модулированное колебание, а нижний – изменение частоты в результате воз­действия модулирующего сигнала. Эта частота изменяется от среднего значе­ния f₀ в сторону увеличения до f_макс и в сторону уменьшения до f_мин.

Рисунок 4 – Принцип частотной модуляции

Полоса частот, занимаемая передатчиком, модулируемым по частоте, зависит от отношения девиации частоты Δω к модулирующей частоте Ω. Это отношение называют индексом модуляции

М_ЧМ = ∆ω /Ω = ∆f₀ / F

Математический анализ (кстати, для частотно-модулированного колеба­ния, довольно сложный) показывает, что даже в простейшем случае модуляции одним гармоническим сигналом спектр частотно-модулированного колебания содержит бесконечное число боковых колебаний, расположенных попарно от­носительно среднего (несущего) колебания. Боковые частоты спектра равны f₀ ± nF, где n =1, 2, 3,.... Расстояние между соседними боковыми колебаниями равны частоте модулирующего сигнала F. Таким образом, спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире спектра амплитудно-модулированного сигнала.

Следует отметить, что амплитуда сложного частотно-модулированного колебания в процессе модуляции всегда остается постоянной, так как не несет никакой информации. Если из-за помех амплитуда изменится, то приемник никак не будет реагировать на это изменение. Это существенно облегчает борьбу с помехами при приеме частотно-модулированных колебаний. Именно высокая помехозащищенность является главным достоинством частотной модуляции. Поэтому ЧМ применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое качество передачи сигнала (или когда передать сигнал с нормальным качеством, но при большом уровне помех).

Импульсная модуляция. Рассмотренные выше виды модуляции назы­вают непрерывными. Однако в качестве переносчика можно ис­пользовать периодическую по­следовательность сравнительно узких импульсов. Последователь­ность прямоугольных импульсов одного знака характеризуется па­раметрами (рисунок 5): амплитудой импульсов U, длительностью (шириной) импульсов τ_и; частотой следования (или тактовой частотой) f_т = 1/Т, где Т – период следования импульсов (ω_т=2πf_т); положением (фазой) импульсов относительно тактовых (отсчетных) точек.

Рисунок 5 – Последовательность прямоугольных импульсов

По закону передаваемого первичного сигнала можно изменять (модулировать) любой из перечисленных параметров импульсной последовательности. При этом модуляция называется импульсной.

В зависимости от того, какой параметр модулируется первичным сигна­лом, различают: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), когда по закону передаваемого сигнала (рисунок 6, а) изменяется амплитуда импуль-сов (рисунок 6, б); широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), когда изменяя-ется ширина импульсов (рисунок 6, в); частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) – меняется частота следования импульсов (рисунок 6, г); фазо-импульсную модуляцию (ФИМ) – меняется фаза импульсов, то есть времен-ное положение относительно тактовых точек.

Зависимость спектра сигналов с импульсной модуляцией от их параметров имеет довольно сложный характер. В качестве примера на рисунке 7, показан спектр АИМ сигнала при модуляции импульсной после-довательности слож­ным первичным сигналом с полосой частот от 0 до Ω. Он содержит спектр ис­ходного сигнала, все гармоники тактовой частоты ω_т (то есть частоты 2ω_т, 3ω_т, 4ω_т и т.д.) и боковые полосы частот около гармоник тактовой частоты.

Спектры сигналов ШИМ, ЧИМ и ФИМ имеют еще более сложный вид.

Рисунок 6 – Временные диаграммы исходного (а), АИМ (б), ШИМ (в),

ЧИМ (г) сигналов

Импульсные последовательности, изображенные на рисунке 6, называются последовательностями видеоимпульсов. Если позволяет среда распростране­ния, то видеоимпульсы передаются без дополнительных преобразований (на­пример, по кабелю). Однако по радиолиниям передать видеоимпульсы невоз­можно. Тогда сигнал подвергают второй ступени преобразования (модуляции).

Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоническое несущее колеба­ние достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, которые способны распространяться в эфире. Полученные в результате сочетания первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия АИМ-АМ, ФИМ-АМ, ФИМ-ЧМ и др.

Рисунок 7 – Спектр АИМ сигнала

Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет меньшую ширину спектра по сравнению с ШИМ и ФИМ. Однако последние более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода моду­ляции в системе передачи необходимо сравнивать эти методы по различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала, помехоустойчиво­сти, сложности оборудования и др.

ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ

Частотное разделение (уплотнение) предусматривает выделение каждому канальному сигналы фиксированного, строго определенного места в общем частотном диапазоне. Для этого выделенный для организации связи частотный диапазон Δω, предназначенный для системы связи, разбивается на N (по количеству каналов в ней) частотных интервалов – ячеек (рисунок 8).

Рисунок 8 – Перенос полос частот сигналов при ЧРК

В каждую такую ячейку Δω_N «помещают» спектр соответствующего канального сигнала S_N(ω). Такой способ основан на том, что спектр реального сигнала практически ограничен определенным интервалом частот. Считается, что вне этого интервала составляющие спектра сигналы отсутствуют. С помощью канальных передатчиков спектры сообщений S_N(Ω) не меняя своей структуры, преобразуются в канальные S_N(ω). Задача канальных передатчиков – распределить исходные спектры сообщения S_N(Ω) по частоте, построив их друг за другом. Таким образом, при частотном объединении каналов мы должны «посадить» каждый канальный спектр S_N(ω) в соответствующую отдельную ячейку Δω_N.

Способ построения каналообразующей аппаратуры с ЧРК показан на рисунке 9. На передающей стороне каждый из канальных передатчиков имеет собственную несущую частоту. Частоты подобраны таким образом, чтобы сигналы на выходах передатчиков были разнесены по спектру (в соответствии с рисунком 8). Сумма всех канальных сигналов образует групповой сигнал, который поступает в линию.

Рисунок 9 – Образование многоканальной системы способом ЧРК

На приемной стороне разделение происходит за счет фильтрации отдельных канальных спектров (рисунок 10). Канальные фильтры Ф₁,Ф₂,…,Ф_N – своеобразное спектральное решето. Каждый фильтр пропустит только «свой» спектр и задержит остальные. Выделенный фильтром сигнал преобразуется в исходный с помощью детектора Д как в обычной одноканальной системе (рисунок 10).

Рисунок 10 – Разделение сигналов на приемной стороне

Для того чтобы при многоканальной передаче не возникли переходные помехи необходимо ширину частотных интервалов (ячеек) Δω_N взять несколько большей ширины канальных спектров S_N(ω) группового сигнала, т.е. они не должны располагаться друг за другом впритык. Между ними должен быть частотный промежуток – защитный интервал. В противном случае при разделении сигналов составляющие соседних канальных спектров могут просочиться друг к другу и вызвать искажения. Причиной является несовершенство характеристик устройств разделения УР. На рисунке 10 штриховыми линиями показаны требуемые (идеальные) характеристики, а сплошными – реальные.

Системы передачи, в которых канальные сигналы размещаются в неперекрывающихся частотных полосах, получили название систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК).

Дата добавления: 2015-09-29