Вводные замечания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Технологический институт

Федерального государственного образовательного

Учреждения высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

Руководство к лабораторным работам

˝ ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ ˝

По дисциплине «Основы теории систем связи с

подвижными объектами»

Для студентов специальности 210402 «Средства связи с

подвижными объектами»

Таганрог 2008

УДК 621.391.2(07)

Горбенко А.П. ˝ Цифровые методы модуляции сигналов˝

Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. - 57 с.

Рассматриваются спектрально – эффективные методы цифровой модуляции: фазовая манипуляция и частотная манипуляция. При формировании сигналов используются среда Lab VIEW. Исследования проводятся на генераторах NI PXI – 5671.

Табл. 7 Ил. 26 Библиогр.: 6 назв.

Печатается по решению редакционно – издательского совета Технологического института ЮФУ

Рецензент: зам. директора по качеству и новым технологиям в

образовании СКФ МТУСИ, кандидат технических

наук, доцент М.И. Сущенко

©Технологический институт ЮФУ, 2008

©Горбенко А.П., 2008

Цифровые методы модуляции сигналов

Вводные замечания

Центральной проблемой при построении любой системы связи является выбор и техническая реализация способов введения передаваемой информации в физический переносчик в точке передачи и выделения этой информации в точке приема. Эта задача известна как проблема модуляции и демодуляции.

В руководстве к лабораторным работам приводятся сведения о некоторых современных методах цифровой модуляции, используемых в настоящее время в системах сотовой связи второго поколения наиболее широко распространенных в мире и в России стандартов GSМ и IS-95.

Практически во всех современных системах связи с подвижными объектами используются методы цифровой модуляции и цифровая обработка сигналов при демодуляции. Такие системы принято называть цифровыми системами передачи в отличие от аналоговых систем, в которых реализованы аналоговая модуляция и аналоговая демодуляция. Современные достижения радиоэлектроники обеспечивают возможность реализовать в передатчике и приемнике системы связи достаточно сложные алгоритмы цифровой обработки электрических сигналов. В результате качество передачи практически любых сообщений в цифровых системах оказывается выше, чем качество передачи этих сообщений с помощью аналоговых систем связи. Оказалось возможным передавать сообщения в присутствии шума и помех с большей точностью или передавать больше сообщений при прочих равных условиях.

Цифровые системы передачи обладают двумя важнейшими особенностями:

• любые сообщения представляются в цифровой форме, т.е. в виде последовательностей битов ; при любом

значении индекса символ принимает значения из алфавита {0,1};

• передатчик системы формирует и передает по очереди в канал

передачи конечное число сигналов , различающихся по форме, которые принято называть канальными символами; для длительности канального символа примем обозначение ; один канальный символ «переносит» один бит или большее

число битов, подлежащих передаче; если , то систему передачи называют двоичной; если М > 2, то систему называют М-ичной.

Таким образом, передача последовательностей сообщений цифровыми системами осуществляется путем преобразования их в последовательность битов, которые преобразуются в последовательность канальных символов.

Число используемых канальных символов М и их форма в разных системах различны; они известны в точке приема. Поэтому основная функция приемника, точнее его демодулятора, в цифровой системе передачи состоит в том, чтобы оценить, какой из возможных символов (сигналов) был передан передатчиком на очередном интервале времени длительностью

Проблема оценивания (различения сигналов) возникает потому, что системы передачи должны проектироваться таким образом, чтобы передатчик излучал, а приемник правильно принимал канальные символы с минимально возможной энергией. Критическим местом в системе передачи, в котором энергия канальных символов оказывается наименьшей, является вход приемника. Энергия принимаемого символа здесь должна быть не менее некоторого порогового значения , которое определяется заданным пороговым значением отношения сигнал-шум (ОСШ)

До формирования канальных символов подлежащие передаче биты обычно сначала преобразуются в последовательность положительных и отрицательных электрических импульсов длительностью

прямоугольной формы, для которой принимаем обозначение ; последовательность полученных таким способом импульсов называют модулирующим сигналом. Преобразование последовательно сти битов в последовательность электрических импульсов осуществляется по следующему правилу: , , где b > 0 -амплитуда импульса. При этом модулирующий сигнал:

В этом равенстве суммирование осуществляется по всем возможным значениям индекса , а множитель может принимать значения

или .

На рис.1 представлены примеры реализаций сигналов при цифровой модуляции: последовательность переданных битов {a }, последовательность электрических импульсов модулятора прямоугольной формы и разной полярности { b }, восстановленная в приемнике последовательность электрических импульсов демодулятора { } и, наконец, последовательность принятых битов{â }

Здесь не представлены канальные символы. Угловой скобкой над символами обозначены их оценки.

Следует отметить два важных обстоятельства: искажение формы сигнала и его временную задержку при прохождении через канал передачи. Искажения формы сигнала обусловлены двумя факторами:

• наличием в передатчике и приемнике специальных устройств формирования и обработки электрических сигналов;

• наличием помех в канале передачи.

Рис. 1. Временные диаграммы сигналов в устройствах

цифровой системы передачи

В передатчике обычно предусматриваются специальные устройства для получения нужной формы импульсов модулирующего сигнала,

при которой поток канальных символов имеет допустимое значение внеполосных излучений.

Основным элементом приемника является демодулятор, оценивающий наилучшим образом каждый принимаемый символ; при этом важна не форма принимаемого канального символа, которая в точке приема известна, а его номер т. Задержка восстановленного сигнала по отношению к передаваемому обусловлена как временем распространения радиоволн, так и, главным образом, дополнительными задержками электрических сигналов в элементах системы передами, обеспечивающих формирование и обработку этих сигналов.

Помехи в канале передачи вызваны тепловым шумом элементов приемника и внешними источниками излучений естественного и искусственного происхождения. Особенно здесь отметим излучения передатчиков, работающих на соседних частотных каналах, внеполосные излучения которых попадают в полосу частот системы передачи. Эти помехи принято называть помехой соседнего канала.

В современных цифровых системах передачи вводятся довольно жесткие ограничения на уровень внеполосных излучений, которые удается выполнить лишь применением сложных методов генерирования канальных символов специальной формы с помощью цифровых устройств. Возможны также помехи от передатчиков, работающих в той же полосе частот, но использующих другие формы канальных символов; такие помехи часто называют внутрисистемными.

Наличие шума и помехи затрудняет принятие правильных решений в приемнике о том, какой из М канальных символов был передан на очередном временном интервале. При малом уровне помех и, следовательно, большом отношении сигнал-помеха демодулятор приемника ошибается очень редко, т.е. вероятность ошибки при приеме одного символа мала и составляет, например, 10~³ или меньше. В результате цифровая система передачи при больших значениях отношения сигнал-шум обеспечивает почти точное воспроизведение потока переданных битов в точке приема; это означает практически точное воспроизведение исходного сигнала, что невозможно при использовании аналоговых систем передачи.

Если отношение сигнал-шум оказывается не очень большим, то демодулятор приемника ошибается чаще, появляются неверно принятые символы. Полезным параметром, часто используемым для характеризации качества цифровой системы передачи, является вероятность ошибки при приеме одного символа

{Принят символ | Передан символ, },

или вероятность ошибки на бит

{Принят бит со значением d | Передан бит со значением е}, и

Например, современные системы беспроводной связи допускают наличие одной ошибки на 1000 бит передаваемой информации; можно принять, что допустимая вероятность ошибки при приеме

одного бита в этом случае равна . При этом ухо человека еще способно идентифицировать голос абонента, т.е. слушающий узнает голос говорящего. В то же время многие информационные системы предъявляют значительно более жесткие требования к цифровой системе передачи, допуская, например, лишь одну ошибку

при передаче 100000000 бит, т.е.

Модуляция - это процесс кодирования информации, получаемой от источника информации, в форму, наиболее удобную для передачи по каналу связи. В общем случае этот процесс предусматривает перенос основной полосы частот модулирующего сигнала AF в область высоких частот. Получающийся в результате модуляции радиосигнал занимает радиополосу шириной 2 F, центральная частота которой намного выше верхней граничной частоты спектра модулирующего сигнала. Как правило, в качестве переносчика информации используется гармоническое колебание , основными параметрами которого, доступными для модуляции, являются амплитуда А, частота и фаза .

Рассмотрим наиболее часто используемые методы цифровой модуляции – фазовую и частотную манипуляцию.

Дата добавления: 2015-07-20