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Sistemas de comunicación de banda ancha. Frecuencias, antenas, señal de banda ancha.

El manual educativo y metodológico “Señales de banda ancha” fue elaborado de acuerdo con el programa disciplinarioMétodos de procesamiento de señalespara estudiantes universitarios en el campo deTecnologías de la información y sistemas de comunicación. El manual consta de dos partes. Primera parte: Conceptos básicos de las señales de banda ancha, incluye un resumen de la teoría de las señales de banda ancha. El segundo son las pautas para realizar trabajos de laboratorio.

Comprender las señales de banda ancha

Definición de ShPS. Aplicación de ShPS en sistemas de comunicación.

Las señales de banda ancha (complejas, similares al ruido) (WPS) son aquellas señales para las cuales el producto del ancho del espectro activo F y la duración T es mucho mayor que la unidad. Este producto se llama señal baseB. Para SPS

B=PIES>>1 (1)

Las señales de banda ancha a veces se denominan señales complejas, a diferencia de las señales simples (por ejemplo, rectangulares, triangulares, etc.) con V=1. Dado que las señales con una duración limitada tienen un espectro ilimitado, se utilizan varios métodos y técnicas para determinar el ancho del espectro.

El aumento de la base en ShPS se logra mediante modulación (o manipulación) adicional en frecuencia o fase durante la duración de la señal. Como resultado, el espectro de la señal F (manteniendo su duración T) se amplía significativamente. Rara vez se utiliza modulación de amplitud intraseñal adicional.

En sistemas de comunicación con redes de banda ancha, la amplitud espectral de la señal F emitida es siempre mucho mayor que la amplitud espectral del mensaje de información.

Los ShPS se utilizan en sistemas de comunicación de banda ancha (BCS) porque:

permitirle aprovechar plenamente los beneficios de los métodos óptimos de procesamiento de señales;

proporcionar alta inmunidad al ruido a las comunicaciones;

le permitirá combatir con éxito la propagación de ondas de radio por trayectos múltiples dividiendo los haces;

permitir el funcionamiento simultáneo de muchos suscriptores en una banda de frecuencia común;

permitirle crear sistemas de comunicación con mayor secreto;

garantizar la compatibilidad electromagnética (EMC) del ShPSS con sistemas de radiodifusión y comunicación por radio de banda estrecha, sistemas de radiodifusión de televisión;

Proporcionar un mejor uso del espectro de frecuencias en un área limitada en comparación con los sistemas de comunicación de banda estrecha.

Inmunidad al ruido de ShPSS

Está determinado por la conocida relación entre señal y ruido en la salida del receptor q 2 con la relación señal-ruido en la entrada del receptor ρ 2:

q 2 = 2Вρ 2 (2)

donde ρ 2 = R s / R p (R s, R p - potencia e interferencia del ShPS);

q 2 = 2E/ nortep, E - energía del ShPS, N p - densidad de potencia espectral de la interferencia en la banda ancha. En consecuencia, E = P con T , a norte p = p p / F;

EN - Base ShPS.

Relación señal-ruido en la salida q 2 determina las características operativas de la recepción del ShPS y la relación señal-interferencia en la entrada ρ 2: la energía de la señal y la interferencia. Cantidad q 2 se puede obtener según los requisitos del sistema (10...30 dB) incluso si ρ 2<<1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой В, satisfactorio (2). Como puede verse en la relación (2), la recepción de NPS mediante un filtro o correlador adaptado va acompañada de una amplificación de la señal (o supresión de ruido) de 2 V. una vez. Por eso el valor

K ShPS = q 2 /ρ 2 (3)

se llama ganancia de procesamiento del ShPS o simplemente ganancia de procesamiento. De (2), (3) se deduce que la ganancia de procesamiento K ShPS = 2V. En SHPS, la recepción de información se caracteriza por la relación señal-interferencia h 2 = q 2 /2, es decir

h2 = Bρ2 (4)

Las relaciones (2), (4) son fundamentales en la teoría de los sistemas de comunicación con redes de banda ancha. Se obtuvieron para interferencias en forma de ruido blanco con una densidad espectral de potencia uniforme dentro de una banda de frecuencia cuyo ancho es igual al ancho del espectro NPS. Al mismo tiempo, estas relaciones son válidas para una amplia gama de interferencias (de banda estrecha, pulsadas, estructurales), lo que determina su importancia fundamental.

Por tanto, uno de los objetivos principales de los sistemas de comunicación con redes de banda ancha es garantizar una recepción fiable de información bajo la influencia de interferencias potentes, cuando la relación señal-interferencia en la entrada del receptor ρ 2 puede ser mucho menor que la unidad. Cabe señalar una vez más que las relaciones anteriores son estrictamente válidas para la interferencia en forma de un proceso aleatorio gaussiano con densidad espectral de potencia uniforme (ruido “blanco”).

Principales tipos de ShPS

Se conocen una gran cantidad de SPS diferentes, cuyas propiedades se reflejan en muchos libros y artículos de revistas. Los ShPS se dividen en los siguientes tipos:

señales de frecuencia modulada (FM);

señales multifrecuencia (MF);

señales con modulación por desplazamiento de fase (PM) (señales con modulación de fase codificada - señales QPSK);

señales de frecuencia discreta (DF) (señales con modulación de frecuencia codificada - señales FFM, señales de modulación por desplazamiento de frecuencia (FM));

frecuencia compuesta discreta (DCF) (señales compuestas con modulación de frecuencia de código - señales CFM).

Frecuencia modulada (FM) Las señales son señales continuas, cuya frecuencia varía según una ley determinada. La Figura 1a muestra una señal de FM, cuya frecuencia varía según una ley en forma de V de f 0 -F/2 a f 0 +F/2, donde f 0 es la frecuencia portadora central de la señal, F - ancho del espectro, a su vez, igual a la desviación de frecuencia F = ∆f d. La duración de la señal es T.

En La figura 1b muestra el tiempo-frecuencia (f, t) - avión, en que muestra aproximadamente la distribución de la energía de la señal de FM por frecuencia y tiempo mediante sombreado.

La base de la señal de FM por definición (1) es igual a:

B=FT=∆fdT(5)

Las señales de frecuencia modulada se utilizan ampliamente en los sistemas de radar porque se puede crear un filtro adaptado para una señal de FM específica utilizando dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW). En los sistemas de comunicación es necesario disponer de muchas señales. Al mismo tiempo, la necesidad de cambiar rápidamente las señales y cambiar los equipos de generación y procesamiento lleva al hecho de que la ley del cambio de frecuencia se vuelve discreta. En este caso, pasan de señales de FM a señales de DF.

Multifrecuencia (MF) las señales (Figura 2a) son la suma norte armónico(t) ...u N (t) , cuyas amplitudes y fases se determinan de acuerdo con las leyes de formación de señales. En el plano frecuencia-tiempo (Figura 2b), la distribución de la energía de un elemento (armónico) de la señal MF en la frecuencia f k se resalta mediante sombreado. Todos los elementos (todos los armónicos) cubren completamente el cuadrado seleccionado con lados F y T. La base de señal B es igual al área del cuadrado. El ancho del espectro del elemento es F 0 ≈1/T. Por lo tanto, la base de la señal MF

Figura 1 - Señal modulada en frecuencia y plano tiempo-frecuencia

es decir, coincide con el número de armónicos. Las señales MF son continuas y es difícil adaptar técnicas digitales para su formación y procesamiento. Además de esta desventaja, también tienen las siguientes:

a) tienen un factor de cresta malo (ver Figura 2a);

b) obtener una base grande EN es necesario tener una gran cantidad de canales de frecuencia NORTE. Por lo tanto, las señales MF no se consideran más.

Clave de cambio de fase (PM) las señales representan una secuencia de pulsos de radio, cuyas fases varían según una ley determinada. Normalmente, la fase toma dos valores (0 o π). En este caso, la señal de radiofrecuencia FM corresponde a una señal de video FM (Figura 3a), que consta de pulsos positivos y negativos. Si el número de pulsos es N , entonces la duración de un pulso es igual a τ 0 = T/N , y el ancho de su espectro es aproximadamente igual al ancho del espectro de la señal F 0 = 1/τ 0 =N/T. En el plano tiempo-frecuencia (Figura 3b), la distribución de la energía de un elemento (pulso) de la señal de FM se resalta mediante sombreado. Todos los elementos se superponen a un cuadrado seleccionado con lados F y T. Base de señal FM

B=FT=F/τ 0 =N, (7)

aquellos. B es igual al número de pulsos en la señal.

La posibilidad de utilizar señales PM como BPS con bases B = 10 4 ...10 6 está limitada principalmente por los equipos de procesamiento. Cuando se utilizan filtros adaptados en forma de dispositivos SAW, es posible una recepción óptima de señales de FM con bases máximas Vmax = 1000 ... 2000. Las señales de FM procesadas por dichos filtros tienen espectros amplios (aproximadamente 10 ... 20 MHz) y relativamente cortos. duraciones (60 ... 100 µs). El procesamiento de señales de FM utilizando líneas de retardo de frecuencia de video al transferir el espectro de señales a la región de frecuencia de video permite obtener bases B = 100 en F≈1 MHz, T ≈ 100 µs.

Los filtros adaptados basados en dispositivos de carga acoplada (CCD) son muy prometedores. Según los datos publicados, utilizando filtros CCD adaptados, es posible procesar señales de FM con bases de 10 2 ... 10 3 con duraciones de señal de 10 -4 ... 10 -1 s. Un correlador digital en un CCD es capaz de procesar señales hasta una base de 4∙10 4 .

Figura 2 - Multifrecuencia

Figura 3 - Cambio de fase codificado Plano de señal y tiempo-frecuencia.

Cabe señalar que es aconsejable procesar señales PM con bases grandes utilizando correlacionadores (en un LSI o en un CCD). En este caso, B = 4∙10 4 parece ser limitante. Pero cuando se utilizan correlacionadores, es necesario, en primer lugar, resolver el problema de la adquisición acelerada de sincronismo, ya que las señales de FM permiten utilizar ampliamente métodos y técnicas digitales de generación y procesamiento, y es posible implementar tales señales con señales relativamente grandes. bases, por lo que las señales de FM son uno de los tipos prometedores de ShPS.

Frecuencia discreta (DF) las señales representan una secuencia de pulsos de radio (Figura 4a), cuyas frecuencias portadoras varían según una ley determinada. Sea M el número de pulsos en la señal DF , La duración del pulso es T 0 =T/M, su ancho de espectro es F 0 =1/T 0 =M/T. Sobre cada pulso (Figura 4a) se indica su frecuencia portadora. En el plano tiempo-frecuencia (Figura 4b), los cuadrados en los que se distribuye la energía de los pulsos de señal CC están sombreados.

Como puede verse en la Figura 4b, la energía de la señal DF se distribuye de manera desigual en el plano frecuencia-tiempo. Base de datos de señales DF.

B=FT =MF 0 MT 0 =M 2 F 0 T 0 = M 2 (8)

ya que la base del momento es F 0 T 0 = l. De (8) se desprende la principal ventaja de las señales DF: obtener la base B necesaria número de canales M =
, es decir, significativamente menor que para las señales MF. Fue esta circunstancia la que llamó la atención sobre tales señales y su uso en los sistemas de comunicación. Al mismo tiempo, para bases grandes B = 10 4 ... 10 6, no es práctico utilizar únicamente señales DF, ya que el número de canales de frecuencia es M = 10 2 ... 10 3, lo que parece excesivamente grande.

Frecuencia compuesta discreta (DCF) Las señales son señales de HF en las que cada pulso se reemplaza por una señal similar a un ruido. La Figura 5a muestra una señal de vídeo FM, cuyas partes individuales se transmiten a diferentes frecuencias portadoras. Los números de frecuencia se indican encima de la señal de FM. La Figura 5b muestra el plano tiempo-frecuencia, en el que la distribución de la energía de la señal DFS se resalta mediante sombreado. La Figura 5b no es diferente en estructura de la Figura 4b, pero para la Figura 5b el área F 0 T 0 = N 0 -igual al número de pulsos de señal FM en un elemento de frecuencia de la señal DFS. base de señal DFS

B=FT =M 2 F 0 T 0 =N 0 M 2 (9)

Número de pulsos de la señal PM total N=N 0 M

Figura 4 - Frecuencia discreta Plano de señal y tiempo-frecuencia.

La señal DFS que se muestra en la Figura 5 contiene señales de FM como elementos. Por lo tanto, abreviaremos esta señal como señal DFS-FM. Como elementos de la señal DFS, podemos tomar señales DFS. Si la base del elemento de señal DF es B=F 0 T 0 = M 0 2 entonces la base de toda la señal es B= M 0 2 M 2

Figura 5 - Frecuencia compuesta discreta Señal de manipulación por desplazamiento de fase DFS-FM y plano tiempo-frecuencia.

Esta señal se puede abreviar como DSCH-FM. El número de canales de frecuencia en una señal DFS-FM es M 0 M. Si la señal DFS (ver Figura 4) y la señal DFS-FM tienen bases iguales, entonces tienen el mismo número de canales de frecuencia. Por tanto, la señal DFS-FM no tiene ventajas especiales sobre la señal DC. Pero los principios de construcción de una señal de FM pueden resultar útiles a la hora de construir grandes sistemas de señales de FM. Por tanto, las señales de banda ancha más prometedoras para los sistemas de comunicación son las señales de FM, MF y DFS-FM.

Principios de filtración óptima. Filtro ShPS óptimo

La recepción y el procesamiento de señales mediante diversos dispositivos de radio se realiza, por regla general, en un contexto de interferencias más o menos intensas. La elección del sistema de dispositivos depende de cuál de las siguientes tareas debe resolverse:

1. Detección de señal, cuando solo necesita responder si la vibración recibida contiene una señal útil o está formada solo por ruido.

2. Estimación de parámetros cuando sea necesario determinar con la mayor precisión el valor de uno o más parámetros de la señal útil (amplitud, frecuencia, posición temporal, etc.). Para la teoría de circuitos y señales de radio, el mayor interés es estudiar las posibilidades de reducir los efectos nocivos de la interferencia para una determinada señal y una determinada interferencia eligiendo correctamente la función de transferencia del receptor. Por lo tanto, en el futuro, se determinarán las características de los receptores que se adaptan de manera óptima a la señal y la interferencia. Dependiendo de cuál de los problemas anteriores se resuelva, se determinarán los criterios para la optimidad de un filtro para una señal determinada en presencia de. la interferencia con determinadas características estadísticas puede ser diferente. Para el problema de detectar una señal en ruido, el criterio más utilizado es la relación máxima señal-ruido en la salida del filtro.

Los requisitos para un filtro que maximice la relación señal-ruido se formulan de la siguiente manera. A la entrada de una red lineal de cuatro puertos con parámetros constantes y función de transferencia.
Se suministra una mezcla aditiva de señal S(t) y ruido n(t). ( Figura 6).

Figura 6

La señal es completamente conocida, lo que significa que se especifica su forma y posición en el eje del tiempo. El ruido es un proceso probabilístico con características estadísticas determinadas. Es necesario sintetizar un filtro que garantice que en la salida se obtenga la relación más alta posible entre el valor pico de la señal y el valor cuadrático medio del ruido, en otras palabras, determinar la función de transferencia.
. En este caso, no existe ninguna condición para preservar la forma de la señal en la salida del filtro, ya que la forma no importa para detectarla en ruido.

Presentemos los resultados de resolver el problema de la interferencia "estándar", como el ruido blanco. Recordemos que el ruido blanco es un proceso aleatorio con una distribución uniforme de energía en todo el espectro de frecuencias, es decir, W(ω) = W 0 = const , con 0<ω<∞,где W(ω) =мощность сигнала/полоса частот es la potencia promedio por 1 Hz a una frecuencia dada ω, y se llama densidad espectral de potencia del proceso. Se encontró que en el caso del ruido blanco

aquí un - coeficiente constante arbitrario,
- complejo de funciones: conjugado con la función espectral de la señal
.

De la relación (10) se siguen dos condiciones para las características de frecuencia de fase (PFC) y frecuencia de amplitud (AFC) del filtro adaptado:

1) K(ω)=COMO(ω) (11)

aquellos. módulo de la función de transferencia con precisión a un coeficiente constante A coincide con el espectro de amplitud de la señal y

2) φ k = -[φ s (ω)+ωt 0 ] (12)

φs(ω) - espectro de fase de la señal.

El significado físico de las expresiones obtenidas para la respuesta de frecuencia (11) y la respuesta de fase (12) del filtro óptimo queda claro a partir de las siguientes consideraciones. Cuando se cumple la relación (11), la energía del ruido, que ocupa una banda de frecuencia infinita en la entrada del filtro, se atenúa en la salida mucho más fuertemente que la energía de una señal que tiene el mismo ancho espectral que el ancho de banda del receptor.

El primer término de la expresión de la respuesta de fase. - φ s (ω) compensa la característica de fase de la señal de entrada φ s (ω), en como resultado de pasar a través del filtro en el tiempo t 0 todos los armónicos de la señal agregue fase para formar un pico en la señal de salida. Al mismo tiempo, esto provoca un cambio en la forma de la señal en la salida del filtro. El segundo término ωt 0 significa el retardo de todos los componentes de la señal durante el mismo tiempo t 0 >T c , donde T s - duración de la señal. Físicamente, esto significa que para utilizar completamente la energía de la señal de entrada, el retardo de respuesta del filtro no debe ser menor que la duración de la señal.

El uso de la expresión (10) reduce el problema de sintetizar un filtro adaptado al problema de construir un circuito eléctrico utilizando un coeficiente de transmisión conocido.
.

Otra forma es determinar la respuesta al impulso del circuito y luego diseñar una red de cuatro terminales con dicha respuesta.

Por definición, la respuesta impulsiva del circuito g(t) - esta es la señal en su salida en respuesta a un impacto en la forma δ - funciones, es decir tener densidad espectral uniforme para todas las frecuencias. En este caso, la densidad espectral de la señal de salida.
y el tipo de señal a la salida, según la transformada de Fourier y teniendo en cuenta la relación (10),

La respuesta al impulso del filtro óptimo, es decir reacción a δ el pulso es, por tanto, una imagen especular de la señal con la que se combina este filtro. El eje de simetría pasa por el punto t 0 /2 en el eje de abscisas (Figura 7).

Figura 7

La forma de onda de salida de un filtro óptimo se puede determinar utilizando la relación general

(14)

Por definición, la señal a la salida del filtro óptimo es

donde B s (t-t 0) - función de autocorrelación de la señal (ACF).

Entonces, la señal en la salida del filtro adaptado, con una precisión de un coeficiente constante A coincide con la función de autocorrelación de la señal de entrada. La relación señal-ruido en la salida es la principal medida de la eficacia del filtro óptimo (OF). Presentamos solo el resultado de los cálculos, según los cuales

,
(16)

Dónde
- Valor RMS del ruido en la salida del filtro, valor pico de la señal de salida;

mi - energía de señal en la entrada del filtro;

W 0 es la densidad espectral de potencia del ruido blanco.

La expresión (16), que nos permite determinar la eficiencia del filtro adaptado, muestra que con ruido blanco la relación señal-ruido en su salida depende únicamente de la energía de la señal y del espectro de energía del ruido W 0. En el caso de NPS:
(17)

E=NE 0 energía de señal, E 0 – energía de un paquete elemental, N – número de paquetes en la señal, ρ – relación señal/ruido en la entrada OF.

De las expresiones (15.17) se deduce: en primer lugar, el OF aumenta la relación señal-ruido en la potencia de salida en N veces y, en segundo lugar, una de las posibles implementaciones del filtro óptimo es un correlacionador o un programa que calcula el ACF de la señal.

Señales codificadas por cambio de fase

La modulación por desplazamiento de fase se utiliza a menudo como modulación intraseñal. Las señales de modulación por desplazamiento de fase (PM) son una secuencia de pulsos de radio de igual amplitud, cuyas fases iniciales varían según una ley determinada. En la mayoría de los casos, la señal de FM consta de pulsos de radio con dos valores de fase inicial: 0 y.

La Figura 8a muestra un ejemplo de una señal de FM que consta de 7 pulsos de radio. La Figura 8b muestra la envolvente (en el caso general complejo) de la misma señal. En el ejemplo considerado, la envolvente es una secuencia de pulsos de video individuales positivos y negativos de forma rectangular. Esta suposición sobre la rectangularidad de los pulsos que forman la señal de FM es válida para estudios teóricos. Sin embargo, cuando las señales de FM se generan y transmiten a través de canales de comunicación con un ancho de banda limitado, los pulsos se distorsionan y la señal de FM deja de ser tan ideal como en la Figura 8a.

La envolvente caracteriza completamente la señal de FM. Por lo tanto, este trabajo examina las propiedades de la envolvente de la señal PM.

Un pulso rectangular u(t) con amplitud y duración unitarias 0, que forma la base de la FM, se escribe como u(t) = 1 en 0t 0.

Una envolvente que consta de N pulsos de vídeo individuales se puede representar como:

donde la amplitud an toma valores +1 o –1. La duración total de la señal PM es T=N 0. La secuencia de símbolos (amplitudes de pulso) A = (a 1, a 2 ...a n ...a N) se llama secuencia de código. Son posibles las siguientes designaciones equivalentes de secuencias de códigos:

A=(111-1-11-1) = (1110010) =(+ + + - - + -), aquí N= 7.

Figura 8 - Señal de FM, su envolvente compleja

Espectro de señales de FM

Las propiedades espectrales de las señales PM están determinadas por los espectros del pulso u(t) y la secuencia de código A. Espectro de un pulso de video rectangular S():

El espectro de una señal rectangular consta de tres factores. El primero, igual a τ 0, es el área del pulso 1τ 0.

El segundo factor sin( 0 /2)/( 0 /2) en forma de función de referencia sin(x)/x caracteriza la distribución de frecuencias del espectro. El tercer factor es consecuencia del desplazamiento del centro del pulso con respecto al origen a la mitad de la duración del pulso 0 /2.

El espectro de la señal de FM G(), más precisamente el espectro de la envolvente, teniendo en cuenta el teorema de desplazamiento, tiene la siguiente forma:

G() = S()  a n exp [-i(n-1) 0 ]

La suma del lado derecho es el espectro de la secuencia de código A y se denota además por H(). Entonces,

u(t)  S(), A  H(), U(t)  G(),

G() =S()H().

<H()> =

Representar el espectro de una señal de FM como un producto es conveniente porque primero puede encontrar por separado los espectros S() y H() y luego, multiplicándolos, obtener el espectro de la señal de FM. Las propiedades del espectro de un pulso rectangular son bien conocidas: tiene una estructura de lóbulos con ceros en los puntos /, 2/, etc. El espectro de amplitud de la secuencia de código, en promedio, se acerca al espectro del ruido blanco y se caracteriza por fluctuaciones significativas alrededor del promedio, igual a

El espectro de fases de la secuencia de códigos también se caracteriza por una gran robustez.

Función de autocorrelación (ACF)

El ACF de las señales de FM tiene la forma típica de todos los tipos de NPS. El ACF normalizado consta de un tipo central (principal) con amplitud 1, ubicado en el intervalo (-,) y máximos laterales (de fondo) distribuidos en el intervalo (-,) y (,).

Las amplitudes de los tipos laterales toman valores diferentes, pero para señales con "buena" correlación son pequeñas, es decir significativamente menor que la amplitud del pico central. La relación entre la amplitud del pico central (en este caso 1) y la amplitud máxima de los máximos laterales se denomina coeficiente de supresión K. Para NPS arbitrario con base B

K 1/
Para FM ShPS K1

. En la Figura 9 se muestra un ejemplo del ACF del NPS. El valor de K depende significativamente del tipo de secuencia de código A. Con la elección correcta de la ley de formación A, es posible lograr la máxima supresión y, en algunos casos, , igualdad de las amplitudes de todos los máximos laterales.

Señales de ladrón

(18)

La secuencia de código de la señal de Barker consta de los símbolos 1 y se caracteriza por un ACF normalizado de la forma:

Señal pseudoaleatoria

(PSP)

T – período ShPS

Este método es adecuado para cualquier sistema de banda ancha que utilice una secuencia digital para ampliar el espectro de la señal de alta frecuencia.

Las principales características de una señal de banda ancha son: – "su base EN" ancho del espectro de señal – "F" Y período – "T": B=F incógnita t

Como resultado de multiplicar una señal pseudoaleatoria por una señal de información, la energía (potencia) de esta última se distribuye en una amplia banda de frecuencia, es decir, el espectro de la señal de información se expande.
El método de transmisión de banda ancha fue descubierto por D.V. Ageev (URSS) - en 1935 y fue desarrollado en 1947-1948, gracias a los trabajos de K. E. Shannon (EE.UU.). Ambos científicos introdujeron el concepto de capacidad del canal y establecieron una conexión entre la posibilidad de transmisión de información sin errores a través de un canal con una determinada relación señal-ruido y la banda de frecuencia asignada para la transmisión de información.

Para cualquier relación señal-ruido dada, se logra una baja tasa de error de transmisión aumentando el ancho de banda de frecuencia asignado para la transmisión de información. La información se puede ingresar en un canal de varias maneras.

El método más conocido consiste en superponer información sobre una secuencia de código de modulación de banda ancha (antes de modular la portadora) para obtener señal de banda ancha - ShPS . La señal de banda estrecha se multiplica por secuencia pseudoaleatoria - PSP con punto – " T" , compuesto por " NORTE" duración del bit " t" - cada. En este caso base – "B"SHPS es numéricamente igual al número de bits de PSP . Este método es adecuado para cualquier sistema de banda ancha que utilice una secuencia de bits para ensanchar el espectro de una señal de alta frecuencia.

La esencia de la comunicación de banda ancha es expandir la banda de frecuencia de la señal útil, transmitir la banda ancha y separar la señal útil de ella convirtiendo el espectro de la banda ancha recibida en el espectro original.

Para el estándar 1S-95, la función de la relación entre los anchos de banda de las señales de banda ancha y base es 128 veces, o 21,0 dB.

Esto permite que el sistema funcione a un nivel de interferencia que excede el nivel de la señal útil en 18,0 dB, ya que el procesamiento de la señal en la salida del receptor requiere que el nivel de la señal exceda el nivel de interferencia en solo 3,0 dB.

En condiciones reales, el nivel de interferencia es mucho menor. La ampliación del espectro de la señal a 1,25 MHz puede considerarse como la aplicación de métodos de recepción por diversidad de frecuencia. Una señal que se propaga a través de ondas de radio está sujeta a desvanecimiento debido a la naturaleza de propagación por trayectos múltiples. En un sistema CDMA, solo se suprime alrededor del 25% del espectro de la señal, lo que no causa ninguna dificultad especial para restaurar la señal en el receptor.

El estándar CDMA utiliza códigos Walsh ortogonales para la división de códigos. Los códigos de Walsh se forman a partir de las filas de la matriz de Walsh:

La peculiaridad de esta matriz es que cada una de sus filas es ortogonal a cualquier otra o fila obtenida mediante la operación de negación lógica. El estándar IS-95 utiliza una matriz de orden 64.

Se utiliza un filtro digital para aislar la señal en la salida del receptor.

Con señales ortogonales, el filtro se puede configurar para que su salida siempre sea un "0" lógico a menos que se reciba la señal para la que está configurado.

La codificación Walsh se utiliza en el enlace directo (BTS a MS) para separar las señales de voz del usuario. Multiplicar la señal recibida y la señal de la misma fuente de ruido pseudoaleatorio, PSN, que se utilizó en el transmisor, comprime el espectro de la señal útil y al mismo tiempo amplía el espectro de ruido de fondo y otras fuentes de interferencia.
En el receptor, utilizando un código idéntico, la señal se demodula coherentemente, como resultado de lo cual se restablece la señal de información original.

Al mismo tiempo, las señales de los MS restantes que ingresan a este receptor continúan expandiéndose y son percibidas por éste como "ruido blanco", la interferencia "más débil" que menos interfiere con el funcionamiento normal del receptor. Esto proporciona un alto grado de protección contra interferencias activas y pasivas, lo que permite que el sistema funcione con relaciones señal-ruido bajas con una potencia de señal transmitida significativamente menor.
El uso de los niveles de potencia emitida en condiciones reales (especialmente cerca del BTS) es entre 100 y 1000 veces menor que en otros sistemas SSS, reduce su impacto en el cuerpo del usuario y aumenta la vida útil del MS sin cargar la batería. La potencia de salida de los MS que operan en redes celulares CDMA es de sólo 2,0 mW, significativamente menor que la potencia de salida promedio de 125,0 mW de los MS en redes GSM.

En sistemas que utilizan el estándar IS-95, todas las MS pueden operar simultáneamente en la misma banda de frecuencia. Los filtros adaptados de los receptores BTS son casi óptimos en condiciones de interferencia mutua entre MS de la misma celda y son sensibles al problema de lejos-cerca.

Para maximizar la capacidad de abonado del sistema, es necesario que todas las MS emitan una señal de tal intensidad que garantice el mismo nivel de señales recibidas por la BTS. Cuanto más preciso sea el control de potencia, mayor será la capacidad de abonados del sistema.

En soluciones técnicas CDMA de Qualcomm Inc. La expansión del espectro se logra modulando la señal con una secuencia pseudoaleatoria con una frecuencia de reloj de 1,23 MHz. Más precisamente esta frecuencia 1,2288 MHz = 9,6 incógnita 128 .

Con una frecuencia de la secuencia de bits de información de 9,6 kbit/s, la duración de un bit corresponde a 128 ciclos de la secuencia de modulación pseudoaleatoria. La banda de frecuencia de un canal con un espectro ensanchado a un nivel de 3,0 dB es 1,25 Hz. El filtro digital forma un espectro de frecuencias cercano a una forma rectangular. La distinción entre señales de diferentes BTS está garantizada por el hecho de que todas las BTS utilizan el mismo par de anchos de banda cortos, pero con un desplazamiento de 64 ciclos de reloj entre las BTS, es decir. Hay un total de 511 códigos en la red. En este caso, todos los canales físicos de una BTS tienen la misma fase de secuencia.

Hay cuatro tipos de canales en la estación transceptora - BTS: canal piloto (PI), canal de sincronización (SYNC), canal de llamada (PCN) y canal de tráfico (TCN). Las señales de diferentes canales son mutuamente ortogonales, lo que asegura que no haya interferencias mutuas entre ellos en la misma BTS.

Las señales de banda ancha (señales de espectro ensanchado) utilizadas para transmitir información digital se distinguen por el hecho de que su banda de frecuencia es mucho mayor que la velocidad de transmisión de información bit/s. Esto significa que el espectro ensanchado para las señales de banda ancha es mucho mayor que uno. Se requiere una mayor redundancia inherente a las señales de banda ancha para superar los altos niveles de interferencia que se encuentran al transmitir información digital a través de algunos canales de radio y satélite. Dado que una señal codificada también tiene un factor de dispersión mayor que uno y la codificación es un método eficaz para introducir redundancia, se deduce que la codificación es un elemento importante en la síntesis de señales de banda ancha.

El segundo elemento importante utilizado en la síntesis de señales de banda ancha es la pseudoaleatoriedad, que hace que las señales sean similares al ruido aleatorio y difíciles de demodular para los receptores "extranjeros". Este factor está estrechamente relacionado con el uso de tales señales.

Para ser más precisos, señalamos que las señales de banda ancha se utilizan para:

· combatir o suprimir los efectos nocivos de las señales de interferencia, las interferencias que surgen de otros usuarios del canal y las autointerferencias causadas por la propagación de la señal,

· garantizar el secreto de la señal transmitiéndola con baja potencia, lo que dificulta que los oyentes no deseados la detecten en presencia de ruido subyacente,

· lograr la protección del mensaje frente a otros oyentes.

Además de las comunicaciones, las señales de banda ancha se utilizan para obtener alcances precisos (retardos de tiempo de la señal) y movimientos en mediciones de radar y navegación.

En aras de la brevedad, limitaremos nuestra discusión a la aplicación de señales de banda ancha a los sistemas de comunicación digitales.

Para combatir las interferencias intencionales (señales de interferencia) para quienes entran en comunicación, es importante que la fuente de la señal de interferencia que intenta destruir la conexión no tenga información a priori sobre las características de la señal, excluyendo los valores de la banda de frecuencia general y el tipo de modulación (PM, FM, etc.) que se utilizan. Si la información digital se codifica como se describe en el Capítulo 8, un bloqueador sofisticado puede fácilmente imitar la señal deseada emitida por el transmisor y, por tanto, dañar gravemente al destinatario. Para eliminar esto, el transmisor introduce un elemento de aleatoriedad (pseudoaleatoriedad) en cada una de las señales digitales transmitidas, que es conocido por el receptor pero desconocido por el bloqueador. Como consecuencia, la fuente de la señal de interferencia se ve obligada a sintetizar y transmitir su señal sin conocer el patrón pseudoaleatorio.

La interferencia de otros usuarios ocurre en sistemas de comunicación de acceso múltiple en los que varios usuarios comparten una banda de frecuencia común. Estos usuarios pueden transmitir información simultáneamente en una banda común a sus respectivos destinatarios. Suponiendo que todos estos usuarios utilizan el mismo código para codificar sus respectivas secuencias de información, las señales transmitidas en esta banda común se pueden distinguir entre sí utilizando un patrón pseudoaleatorio diferente, también llamado código o dirección, para cada señal transmitida. Así, un destinatario privado puede reconstruir la información transmitida si conoce su patrón pseudoaleatorio, es decir la clave utilizada por el transmisor correspondiente. Este tipo de técnica de comunicación, que permite a muchos usuarios compartir un canal común para transmitir información, se denomina acceso múltiple por división de código (CDMA o CDMA - CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS). CDMA se analizará en las secciones 13.2 y 13.3.

Los componentes de trayectorias múltiples que surgen cuando las ondas se propagan en un canal dispersivo con dispersión pueden considerarse como un tipo de autointerferencia. Este tipo de interferencia también puede suprimirse introduciendo un patrón pseudoaleatorio en la señal transmitida, como se describirá a continuación.

Un mensaje puede "ocultarse" en el ruido subyacente dispersándolo a lo largo de una banda de frecuencia codificándolo y enviando la señal resultante a un nivel bajo. Debido a su bajo nivel de potencia, se dice que la señal transmitida está "cerrada". Existe una baja probabilidad de que dicha señal sea interceptada (detectada por un oyente aleatorio), por lo que también se denomina señal de baja probabilidad de interceptación (LPI).

Finalmente, el cierre del mensaje se puede lograr introduciendo un patrón pseudoaleatorio en el mensaje transmitido. El mensaje puede ser detectado por un destinatario que conoce el patrón pseudoaleatorio o la clave utilizada en la transmisión, pero no puede ser detectado por otros destinatarios que no conocen la clave.

En los siguientes apartados describiremos los diferentes tipos de señales de banda ancha, sus características y aplicaciones. Se hará hincapié en el uso de señales de banda ancha para contramedidas radioeléctricas (CM o jamming) o contramedidas antiradioeléctricas (ARC), para CDMA y para NVP. Describamos brevemente los tipos de características de canal esperadas para las aplicaciones mencionadas anteriormente.

Para aclarar una mayor presentación, haremos aquí una digresión técnica sobre las características de varios rangos de frecuencia y los principios asociados para la construcción de redes de radio.

Las comunicaciones por radio modernas funcionan en frecuencias de cientos de megahercios, miles de megahercios (es decir, gigahercios) e incluso decenas de gigahercios. El espectro radioeléctrico se divide en áreas dedicadas a una variedad de aplicaciones; la comunicación por radio es sólo uno de ellos. La distribución del espectro a escala internacional está regulada por el comité internacional correspondiente, del que forma parte Rusia. En Rusia está regulado por el Comité Estatal interdepartamental de Radiofrecuencias (SCRF). Volveremos a esto más tarde.

Cada sección del espectro radioeléctrico se divide en canales el mismo “ancho” (por ejemplo, 25 kilohercios para telefonía celular). La velocidad de datos máxima en un canal determinado depende únicamente del ancho del canal y no de la porción del espectro en la que se encuentra. Está claro que en el rango de frecuencia, digamos, de 8 gigahercios a 9 gigahercios, habrá 10 veces más canales de un cierto ancho que en el rango de 800 megahercios a 900 megahercios. Así, cuanto mayores sean las frecuencias, mayor será la “capacidad” general de la gama en términos de posibilidad de transmisiones simultáneas: si imaginamos la gama de 800 MHz como un cable de mil núcleos, entonces la gama de 8 GHz ya será un cable de diez mil núcleos.

Línea de visión y principio de la red celular.

Se podría suponer que la colosal capacidad de la parte del espectro radioeléctrico de frecuencia ultraalta (microondas) podría resolver todos los problemas de comunicación por radio. Esto es casi cierto, pero hay una característica puramente física de las ondas de radio: cuanto mayor es la frecuencia de la onda (es decir, cuanto más corta es su longitud), menor es el obstáculo que puede doblar. Por lo tanto, digamos, las comunicaciones móviles celulares pueden funcionar a frecuencias no superiores a 2 gigahercios: a frecuencias más altas, la comunicación ya está estrictamente limitada a la línea de visión (casi como un rayo de luz), por lo que la comunicación con un teléfono móvil se interrumpirá como la luz. de una linterna cuando caminas frente a la empalizada.

En frecuencias inferiores a 2 GHz, los requisitos de visibilidad directa no son tan estrictos: una onda de radio puede incluso rodear edificios, pero no el espesor de la tierra, es decir, alrededor de 2 GHz. no puede "ir más allá del horizonte". El alcance limitado del transmisor por el horizonte visible desde la altura de su antena permite organizar red celular , es decir. una red en la que los mismos canales de frecuencia puedan utilizarse repetidamente en áreas territoriales no contiguas (“células”).

Nota 1: Cuando la gente habla de “teléfono celular” o “red celular”, generalmente se refieren a red de telefonía celular móvil . Estas redes suelen desplegarse de conformidad con normas internacionales reconocidas; ocupan parte de los rangos de alrededor de 450 MHz, 800 MHz y 900 MHz, y el último estándar ofrece una frecuencia de alrededor de 1800 MHz (es decir, 1,8 GHz). La telefonía móvil celular es un tipo de actividad de telecomunicaciones separada y específicamente regulada, y no la abordaremos aquí más adelante. El principio celular de la construcción de redes en sí no está directamente relacionado con la movilidad. Es simplemente una forma de utilizar las mismas frecuencias una y otra vez, incluso dentro de un área limitada.

Nota 2: La imagen estaría incompleta sin mencionar comunicaciones por satélite . Todos los argumentos sobre la capacidad de diferentes rangos de frecuencia siguen siendo válidos aquí, sólo que el concepto de "horizonte" casi desaparece, ya que incluso un satélite que se encuentre sobre el ecuador en una longitud adecuada (no en el hemisferio opuesto) es visible desde las regiones polares. Está claro que incluso una antena de satélite con una orientación estrecha produce una “mancha” en la superficie de la Tierra de cientos o miles de kilómetros de tamaño. Por lo tanto, en comparación con las redes de radio terrestres, los satélites utilizan las ondas de forma muy antieconómica, sin la posibilidad de reutilizar las mismas frecuencias, como se hace en las redes celulares. Las comunicaciones por satélite también son un tema aparte a considerar y no lo abordaremos aquí. Solo debes tener en cuenta que Una parte muy importante del espectro de frecuencias está ocupada por comunicaciones por satélite existentes o reservada para futuras.

Directividad de la antena

En las redes de transmisión de radio se utilizan como estrechamente enfocado antenas, y antenas con un sector de cobertura más amplio, hasta omnidireccional (circular). Para tipo de conexión punto a punto se utilizan dos antenas (estrictamente) direccionales; Así se construyen, por ejemplo: líneas de transmisión de radioenlaces , en el que la distancia entre torres de relevo vecinas puede ser de decenas de kilómetros. Una antena altamente direccional enfoca el haz de radio, aumentando su densidad de energía; así, un transmisor de una determinada potencia “dispara” a una distancia mayor.

Otro tipo de comunicación se obtendrá utilizando únicamente antenas omnidireccionales. En este caso se logrará la conectividad todos con todos . Esta topología suele ser utilizada por pequeñas redes institucionales implementadas en un área limitada.

Finalmente, si en el centro de la "celda" colocamos estación base con una antena omnidireccional y equipamos a todos los suscriptores a los que sirve con antenas direccionales enfocadas en ella, luego obtenemos una topología punto-muchos puntos . Si además conectamos las estaciones base entre sí en una determinada jerarquía (ya sea mediante líneas de retransmisión de radio o simplemente mediante conexiones de radio punto a punto, o mediante canales de cable), obtendremos una red celular completa. En este caso, será una red celular fija, ya que un abonado móvil no puede tener una antena direccional.

Comentario: Una red celular móvil se construye según el mismo principio, pero con el uso de antenas omnidireccionales también para suscriptores móviles, que no interfieren entre sí, tanto porque siempre hablan en diferentes canales (o alternando en el mismo canal) como porque que la señal del dispositivo móvil es mucho más débil que la señal de la estación base y sólo puede ser recibida correctamente por la estación base, pero no por otro dispositivo móvil.

Tecnología de señal de banda ancha (BTS)

Para enviar una señal de radio de alta potencia en el rango de microondas, se necesita un transmisor costoso con un amplificador y una antena costosa de gran diámetro. Para recibir una señal de baja potencia sin interferencias, también necesita una antena grande y costosa y un receptor costoso con amplificador.

Este es el caso cuando se utiliza una señal de radio convencional de "banda estrecha", cuando la transmisión se produce en una frecuencia específica, o más precisamente, en una banda estrecha del espectro de radio que rodea esta frecuencia (canal de frecuencia). El panorama se complica aún más por diversas interferencias mutuas entre señales de banda estrecha de alta potencia transmitidas cerca una de otra o en frecuencias similares. En particular, una señal de banda estrecha puede simplemente ser bloqueada (accidental o intencionalmente) por un transmisor de potencia suficiente sintonizado en la misma frecuencia.

Fue esta vulnerabilidad a la interferencia de las señales de radio convencionales lo que llevó al desarrollo, primero para aplicaciones militares, de un principio de transmisión de radio completamente diferente llamado tecnología. señal de banda ancha, o señal similar a un ruido(ambas versiones del término corresponden a la abreviatura SPS ). Después de muchos años de uso exitoso en defensa, esta tecnología ha encontrado aplicaciones civiles, y es en esa capacidad que se discutirá aquí.

Se encontró que, además de sus propiedades características (inmunidad al ruido propio y bajo nivel de interferencia generada), esta tecnología resultó ser relativamente barato para la producción en masa. La rentabilidad se debe al hecho de que toda la complejidad de la tecnología de banda ancha está programada en varios componentes microelectrónicos ("chips"), y el costo de la microelectrónica en la producción en masa es muy bajo. En cuanto al resto de componentes de los dispositivos de banda ancha (electrónica de microondas, antenas), son más baratos y sencillos que en el caso habitual de "banda estrecha", debido a la potencia extremadamente baja de las señales de radio utilizadas.

La idea de ShPS es que utiliza banda de frecuencia significativamente más amplia de lo necesario para una transmisión normal (en un canal de frecuencia estrecha). Se han desarrollado dos métodos fundamentalmente diferentes para utilizar una banda de frecuencia tan amplia: el método de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) y el método de espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS). Ambos métodos los proporciona el estándar 802.11 (Radio-Ethernet).

Método de secuencia directa (DSSS)

Sin entrar en detalles técnicos, el método de secuencia directa (DSSS) se puede considerar de la siguiente manera. Toda la banda de frecuencia "ancha" utilizada se divide en una cierta cantidad de subcanales; según el estándar 802.11, hay 11 de estos canales, y los contaremos como tales en la descripción adicional. Cada bit de información transmitido se convierte, según un algoritmo prefijado, en una secuencia de 11 bits, y estos 11 bits se transmiten simultáneamente y en paralelo, utilizando los 11 subcanales. Cuando se recibe, la secuencia de bits recibida se decodifica utilizando el mismo algoritmo que cuando se codifica. Otro par receptor-transmisor puede utilizar un algoritmo de codificación-decodificación diferente, y puede haber muchos algoritmos diferentes.

El primer resultado obvio del uso de este método es la protección de la información transmitida contra escuchas ilegales (un receptor DSSS "extranjero" utiliza un algoritmo diferente y no podrá decodificar información que no sea de su transmisor). Pero otra propiedad del método descrito resultó ser más importante. Se basa en el hecho de que gracias a los 11 veces redundancia se pueden hacer transferencias señal de muy baja potencia (en comparación con el nivel de potencia de la señal utilizando tecnología de banda estrecha convencional), sin aumentar el tamaño de las antenas .

En este caso, la relación entre el nivel de la señal transmitida y el nivel de ruido, (es decir, interferencia aleatoria o intencionada), de modo que la señal transmitida ya no se puede distinguir en el ruido general. Pero gracias a su redundancia 11 veces mayor, el dispositivo receptor aún podrá reconocerlo. Es como si nos escribieran la misma palabra 11 veces, y algunas copias resultaron escritas con letra ilegible, otras medio borradas o en un papel quemado, pero aún así, en la mayoría de los casos, podremos determinar qué tipo de palabra es comparando las 11 copias.

Otra característica extremadamente útil de los dispositivos DSSS es que, debido a su bajísimo nivel de potencia, su señal, prácticamente no interfieren con los dispositivos de radio convencionales (banda estrecha de alta potencia), ya que estos últimos confunden una señal de banda ancha con ruido dentro de límites aceptables. Por otro lado, los dispositivos comunes no interfieren con los de banda ancha, ya que sus señales de alta potencia "hacen ruido" sólo en su propio canal estrecho y no pueden ahogar toda la señal de banda ancha. Es como si una letra escrita en tamaño grande con un lápiz fino estuviera sombreada con un rotulador grueso: si los trazos no están seguidos, podremos leer la letra.

Como resultado, podemos decir que el uso de tecnologías de banda ancha permite utilizar la misma sección del espectro radioeléctrico. dos veces- dispositivos convencionales de banda estrecha y "además de ellos" - banda ancha.

Resumiendo, podemos destacar las siguientes propiedades de la tecnología NPS, al menos para el método de secuencia directa:

- Inmunidad al ruido.

- No interfiere con otros dispositivos.

- Confidencialidad de las transmisiones.

- Rentable para la producción en masa.

- Posibilidad de reutilización de la misma sección del espectro.

Método de salto de frecuencia (FHSS)

Al codificar mediante el método de salto de frecuencia (FHSS), toda la banda de frecuencia asignada para las transmisiones se divide en varios subcanales (según el estándar 802.11, hay 79 de estos canales). Cada transmisor utiliza sólo uno de estos subcanales en un momento dado, saltando regularmente de un subcanal a otro. El estándar 802.11 no fija la frecuencia de dichos saltos; se puede configurar de forma diferente en cada país. Estos saltos se producen sincrónicamente en el transmisor y en el receptor en una secuencia pseudoaleatoria prefijada y conocida por ambos; Está claro que sin conocer la secuencia de conmutación, también es imposible aceptar la transmisión.

Otro par transmisor-receptor utilizará una secuencia de conmutación de frecuencia diferente, configurada independientemente del primero. Puede haber muchas secuencias de este tipo en una banda de frecuencia y en un área de línea de visión (en una “celda”). Está claro que a medida que aumenta el número de transmisiones simultáneas, también aumenta la probabilidad de colisiones, cuando, por ejemplo, dos transmisores saltaron simultáneamente a la frecuencia número 45, cada uno de acuerdo con su propia secuencia, y se bloquearon entre sí.

El método de salto de frecuencia, al igual que el método de secuencia directa descrito anteriormente, proporciona confidencialidad y cierta inmunidad al ruido de las transmisiones. La inmunidad al ruido está garantizada por el hecho de que si el paquete transmitido no se pudo recibir en ninguno de los 79 subcanales, el receptor lo informa y la transmisión de este paquete se repite en uno de los siguientes subcanales (en la secuencia de saltos).

Señales de banda estrecha y banda ancha

1.Señal de banda estrecha

Una señal se denomina banda estrecha (NB) si el ancho de su espectro es significativamente menor que la frecuencia promedio (Fig. 1.1):

Arroz. 1.1

Los representantes típicos de UPS son las señales de radio moduladas. Los UPS también pueden incluir varias señales de radio con sus propios operadores, que juntas ocupan una banda de frecuencia bastante estrecha.

Como primera aproximación, para analizar el paso del SAI a través de circuitos radioelectrónicos, dicha señal se puede representar como armónica a una frecuencia media. Una mejor aproximación la proporciona la representación del UPS en forma de una oscilación casi armónica, que lentamente (en comparación con) cambio instantáneo de amplitud y frecuencia. En este caso, se supone que en un tiempo bastante corto (menos que los cambios de amplitud y frecuencia), la señal puede considerarse armónica.

En general, el UPS se puede representar como

donde y -Funciones del tiempo que cambian lentamente.

Para las oscilaciones clásicas de AM y FM, la frecuencia promedio coincide con la frecuencia portadora de la señal. Para una elección clara y óptimaSe utiliza el aparato de transformada de Hilbert, según el cual, para un SAI determinadose encuentra la función conjugada, definido como

al mismo tiempo

La envolvente así definida coincide con la señal.en momentos en el tiempo donde,aquellos. tienen tangentes comunes, y en los puntos de tangencia la funcióncerca de los máximos (Fig. 1.2):

Arroz. 1.2

Para una señal comola función conjugada de Hilbert es igual a y para.

Basado en estas relaciones para una señal armónicala envolvente y la frecuencia son iguales respectivamente:

como era de esperar. Si elige la frecuencia promedio arbitrariamente, incluso para una señal armónica puede obtener una envolvente bastante compleja que no se corresponde con la realidad.

Consideremos, como ejemplo, un SAI formado por la suma de componentes armónicos:

Para tal señal

dónde

Después de las transformaciones, podemos obtener la siguiente expresión para la frecuencia instantánea

Para una señal de dos frecuencias (N=2) tenemos

Por tanto, la suma de dos frecuencias muy espaciadas () las señales se pueden escribir en forma de oscilación cuasi armónica:

La figura 1.3 ilustra una forma aproximada de una señal que consta de dos señales armónicas con amplitudes iguales (= = ).

Arroz. 1.3

Abajo en la Fig. 1.4 y Fig. 1.5 muestran gráficos normalizados de un período de la envolvente y frecuencia instantánea: señal biarmónica para, 0,5 y 0,1.

Fig.1.4

A medida que disminuye la amplitud de una de las señales, la frecuencia instantánea (Fig. 5) cambia continuamente incluso a bajas k la frecuencia promedio está cerca de la frecuencia de la señal más grande. De los gráficos de la Fig. 3, figura. 4, figura. 5 muestra que cuando interactúan dos señales con amplitudes iguales, la envolvente de amplitud cambia del doble de la amplitud de cada una a cero. Además, en cero de la fase envolvente cambia abruptamente a , que formalmente significa la transición a través del infinito (espacio) de la frecuencia instantánea, y el resto del tiempo

A medida que disminuye la amplitud de una de las señales, la frecuencia instantánea (Fig. 1.5) cambia continuamente incluso a bajas k la frecuencia promedio está cerca de la frecuencia de la señal más grande.

Arroz. 1.5

Para k pequeña el sobre se puede representar de forma aproximada

de lo cual se puede ver que la envolvente en este caso depende linealmente de la amplitud de la señal pequeña con una amplitud constante de la grande. Si la pequeña señal a su vez es casi armónica

aquellos.

Eso

Por tanto, la envolvente resultante contiene información lineal sobre los cambios en la amplitud y fase de una pequeña señal, lo que permite aislar esta información en el receptor sin distorsiones no lineales.

2 . Señal de banda ancha

Definición de ShPS. Aplicación de ShPS en sistemas de comunicación.

Las señales de banda ancha (complejas, similares a ruido) (WBS) son aquellas señales para las cuales los productos del ancho del espectro activo F por duración t mucho más de uno. Este producto se llama base de señal. B. Para SPS

B = PIES >>1 (1)

Banda anchaLas señales a veces se denominan señales complejas en contraste con las señales simples.(por ejemplo, rectangular, triangular, etc.) con B=1. Dado que las señales con una duración limitada tienen un espectro ilimitado, se utilizan varios métodos y técnicas para determinar el ancho del espectro.

En sistemas de comunicación con redes de banda ancha, el ancho del espectro de la señal emitida es F Siempre mucho mayor que el ancho del espectro de información. mensajes.

Los ShPS se utilizan en sistemas de comunicación de banda ancha (BCS) porque:

proporcionar alta inmunidad al ruido a las comunicaciones;
le permitirá combatir con éxito la propagación de ondas de radio por trayectos múltiples dividiendo los haces;
permitir el funcionamiento simultáneo de muchos suscriptores en una banda de frecuencia común;
permitirle crear sistemas de comunicación con mayor secreto;
Proporcionar un mejor uso del espectro de frecuencias en un área limitada en comparación con los sistemas de comunicación de banda estrecha.
1. Inmunidad al ruido de ShPSS

Está determinada por la conocida relación entre señal e interferencia en la salida del receptor. q 2 con la relación señal-ruido en la entrada del receptor ρ 2 :

q 2 = 2Вρ 2 (2)

donde ρ 2 = R s / R p (R s , R p - potencia e interferencia de ShPS);

B - Base ShPS.

Cantidad q 2 se puede obtener según los requisitos del sistema (10...30 dB) incluso si ρ 2 <<1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой В , satisfactorio (2). Como puede verse en la relación (2), la recepción de NPS mediante un filtro o correlador adaptado va acompañada de una amplificación de la señal (o supresión de ruido) de 2 V.una vez. Por eso el valor

K ShPS = q 2 /ρ 2 (3)

se llama ganancia de procesamiento del ShPS o simplemente ganancia de procesamiento. De (2), (3) se deduce que la mejora del procesamiento K ShPS = 2V. EN La recepción de información ShPSS se caracterizarelación señal-interferencia h 2 = q 2 /2, es decir

h2 = Bρ2 (4)

t Por lo tanto, uno de los objetivos principales de los sistemas de comunicación con sistemas de comunicación de banda ancha es garantizar la recepción confiable de información bajo la influencia de interferencias poderosas, cuando la relación señal-ruido en la entrada del receptor es ρ 2 puede ser mucho menos que uno.Cabe señalar una vez más que las relaciones anteriores son estrictamente válidas para la interferencia en forma de un proceso aleatorio gaussiano con una densidad de potencia espectral uniforme (ruido “blanco”).

Principales tipos de ShPS

Hay una gran cantidad de ShPS diferentes, que se dividen en los siguientes tipos:

señales de frecuencia modulada (FM);
señales multifrecuencia (MF);
señales con modulación por desplazamiento de fase (PM) (señales con modulación de fase de código - señales QPSK);
señales de frecuencia discreta (DF) (señales con modulación de frecuencia codificada - señales FFM, señales de modulación por desplazamiento de frecuencia (FM));
frecuencia compuesta discreta (DCF) (señales compuestas con modulación de frecuencia de código - C señales KHM).

Frecuencia modulada (FM)Las señales son señales continuas, cuya frecuencia varía según una ley determinada. En la figura. 2.1a, se representa una señal de FM, cuya frecuencia varía según V -ley en forma de f 0 - F /2 a f 0 + F /2, donde f 0 - frecuencia portadora central de la señal, F - ancho del espectro, a su vez, igual a la desviación de frecuencia F = ∆ f re. La duración de la señal es T.

En arroz. 2.1b muestra el tiempo-frecuencia ( f , t ) - avión, en que muestra aproximadamente la distribución de la energía de la señal de FM por frecuencia y tiempo mediante sombreado.

La base de la señal de FM por definición (1) es igual a:

B = FT = ∆ f d T (5)

Multifrecuencia (MF)las señales (Fig. 2.2a) son la suma N armónicos u (t) ... u N (t), cuyas amplitudes y fases se determinan de acuerdo con las leyes de formación de señales. EnEn el plano frecuencia-tiempo (Fig. 2.2b), la distribución de la energía de un elemento (armónico) de la señal MF en la frecuencia se resalta sombreado joder . Todos los elementos (todos los armónicos) cubren completamente el cuadrado seleccionado con lados F y T. Base de señal B igual al área del cuadrado. Ancho del espectro de elementos F 0 ≈1/T. Por lo tanto, la base de la señal MF

B = F / F 0 = Norte (6)

Arroz. 2.1 - Frecuencia modulada

a) tienen un factor de cresta malo (ver Fig. 2.2a);

b) obtener una base grande EN es necesario tener una gran cantidad de canales de frecuencia NORTE. Por lo tanto, las señales MF no se consideran más.

Clave de cambio de fase (PM)las señales representan una secuencia de pulsos de radio, cuyas fases varían según una ley determinada. Normalmente, la fase toma dos valores (0 o π). En este caso, la señal de radiofrecuencia FM corresponde a una señal de vídeo FM (Fig. 2.3a), que consta de pulsos positivos y negativos. Si el número de pulsos NORTE, entonces la duración de un pulso es igual a τ 0 = T/N, y el ancho de su espectro es aproximadamente igual al ancho del espectro de la señal F 0 = 1/τ 0 = norte /T. En el plano tiempo-frecuencia (Figura 3b)El sombreado indica la distribución de energía de un elemento (pulso) de la señal de FM. Todos los elementos se superponen al cuadrado seleccionado con lados. F y base de señal T.FM

B = FT = F /τ 0 = N , (7)

aquellos. B igual al número de pulsos en la señal.

Posibilidad de utilizar señales FM como BPS con bases B = 10 4 ...10 6 limitado principalmente por el equipo de procesamiento. Cuando se utilizan filtros adaptados en forma de dispositivos SAW, es posible una recepción óptima de señales de FM con bases máximas Vmax = 1000 ... 2000. Las señales de FM procesadas por dichos filtros tienen espectros amplios (aproximadamente 10 ... 20 MHz) y relativamente cortos. duraciones (60 ... 100 µs). El procesamiento de señales de FM utilizando líneas de retardo de frecuencia de video al transferir el espectro de señales a la región de frecuencia de video permite obtener bases B= 100 en F ≈1 MHz, T ≈ 100 µs.

Los filtros adaptados basados en dispositivos de carga acoplada (CCD) son muy prometedores. Según los datos publicados, utilizando filtros CCD adaptados, es posible procesar señales PM con bases de 10 2 ... 10 3 con duraciones de señal de 10-4 ... 10 -1 Con. Un correlador digital en un CCD es capaz de procesar señales hasta una base de 4∙10 4 .

Fig 2.2 - MultifrecuenciaPlano de señal y tiempo-frecuencia.

Fig 2.3 - Fase codificadaPlano de señal y tiempo-frecuencia.

Cabe señalar que es aconsejable procesar señales PM con bases grandes utilizando correlacionadores (en un LSI o en un CCD). En este caso, B = 4∙10 4 Parece ser extremo. Pero cuando se utilizan correlacionadores, es necesario, en primer lugar, resolver la cuestión de la adquisición acelerada de sincronismo.Dado que las señales de FM permiten utilizar ampliamente métodos y técnicas digitales de generación y procesamiento, y es posible implementar dichas señales con bases relativamente grandes, entonces y Las señales de FM son uno de los tipos prometedores de banda ancha.

Frecuencia discreta (DF)las señales representan una secuencia de pulsos de radio (Figura 4a), cuyas frecuencias portadoras varían según una ley determinada. Sea M el número de pulsos en la señal DF, la duración del pulso es T 0 =T/M, su ancho de espectro F0 =1/T0 =M/T. Sobre cada pulso (Figura 4a) se indica su frecuencia portadora. En el plano tiempo-frecuencia (Figura 4b), los cuadrados en los que se distribuye la energía de los pulsos de señal CC están sombreados.

Como puede verse en la Figura 4b, la energía de la señal DF se distribuye de manera desigual en el plano tiempo-frecuencia.Base de datos de señales HF

B = FT =M F 0 MT 0 =M 2 F 0 T 0 = M 2 (8)

desde la base de impulso F 0 T 0 = l . De (8) se desprende la principal ventaja de las señales DF: obtener la base B necesaria número de canales M = , es decir, significativamente menor que para las señales MF. Fue esta circunstancia la que llamó la atención sobre tales señales y su uso en los sistemas de comunicación. Al mismo tiempo, para bases grandes B = 10 4 ... 10 6 No es práctico utilizar únicamente señales DF, ya que el número de canales de frecuencia es M = 10 2 ... 10 3 , que parece excesivamente grande.

Frecuencia compuesta discreta (DCF)Las señales son señales de HF en las que cada pulso se reemplaza por una señal similar a un ruido. En la figura. La Figura 2.5a muestra una señal de frecuencia de video FM, cuyas partes individuales se transmiten en diferentes frecuencias portadoras. Los números de frecuencia se indican encima de la señal de FM. La Figura 2.5b muestra el plano tiempo-frecuencia, en el que la distribución de la energía de la señal DFS está resaltada mediante sombreado. La figura 2.5b no difiere en estructura de la figura. 2.4b, pero para la Fig. 2.5bárea F 0 T 0 = N 0 -igual al número de pulsos de señal FM en un elemento de frecuencia de la señal DFS. base de señal DFS

B = FT = M 2 F 0 T 0 = N 0 M 2 (9)

Número de pulsos de la señal PM total norte = norte 0 m

Arroz. 2.4 - frecuencia discretaPlano de señal y tiempo-frecuencia.

Mostrado en la Fig. 2.5 La señal DFS contiene señales de FM como elementos. Por lo tanto, abreviaremos esta señal como señal DFS-FM. Como elementos de la señal DFS, podemos tomar señales DFS. Si la base del elemento de señal DF B = F 0 T 0 = M 0 2 entonces la base de toda la señal B = M 0 2 M 2

Figura 2.5 - Frecuencia compuesta discretaSeñal de manipulación por desplazamiento de fase DFS-FM y plano tiempo-frecuencia.

Esta señal se puede abreviar como DSCH-FM. El número de canales de frecuencia en la señal DFS-FM es M 0 M. Si la señal DF (ver Figura 2.4) y la señal FM-FM tienen bases iguales, entonces tienen el mismo número de canales de frecuencia. Por tanto, la señal DFS-FM no tiene ventajas especiales sobre la señal DC. Pero los principios de construcción de una señal de FM pueden resultar útiles a la hora de construir grandes sistemas de señales de FM. Por tanto, las señales de banda ancha más prometedoras para los sistemas de comunicación son las señales de FM, MF y DFS-FM.

Utah)

f 0 +F/2

f0-F/2

U 1 (t)

f 0 +F/2

f0-F/2

ONU (t)

Utah)

f 0 +F/2

f0-F/2

∙ ∙ ∙

∙ ∙ ∙ norte