Приемники цифровых данных

Особенностями устройств передачи и приема цифровых данных являются:

• — формирование информационного сигнала в виде цифровой последовательности значений, например, нулей и единиц. Пр этом для аналогового сигнала обязательна процедура аналого-цифрового преобразования — квантования значений сигнал по уровню в дискретные моменты во времени;
• — формирование излучаемого сигнала путём манипуляции сигнала генератора несущей частоты одной информационной последовательностью (или сразу несколькими последовательностями при частотном и временном уплотнении);
• — простота точного восстановления информационной последовательности в приемнике, т. к. небольшие помехи и искажени передаваемого сигнала при демодуляции сравнительно легк «отбрасываются» решающим устройством при сопоставлени уровня сигнала одному значению из небольшого множеств (либо «О», либо «1» для бинарного сигнала);
• — возможность применения специальных помехоустойчивых кодов, квазиоптимальных и адаптивных методов приема сигналов, цифровой обработки сигнала (ЦОС) с запоминанием большого числа параметров и массивов самого сигнала;
• — приемники цифровых данных с ЦОС обеспечивают высоку стабильность характеристик за счет отсутствия свойственны аналоговым цепям параметрических уходов. Аппаратура ЦОСВ не требует настройки, а элементная база более однородна.

Однако цифровым узлам присуши и недостатки, в основном связанные с большей аппаратурной сложностью: большее потребление, необходимость учёта и согласования узлов по тактовой частоте, увеличение задержки доставки сигнала. Можно также отметить, что при недостаточном соотношении уровня сигнал/шум в радиоприемниках цифровых данных выходной сигнал, выдаваемый на оконечное устройство, пропадает (должен игнорироваться полностью или частично), т.к. потеря синхронизации не позволяет «различать» старшие и младшие разряды в данных, вто время как для радиоприемников аналоговых сигналов речевое сообщение можно воспринимать со слышимыми шумам и искажениями. Частичную потерю данных можно минимизировать различными способами избыточного кодирования и перемешивания информационных пакетов по времени и по частоте излучаемого сигнала.

Передача цифровых данных осуществляется преимущественно в выделенных диапазонах 433,92 МГц, 868,3 МГц, 800—900 МГц, 1800—В 1900 МГц и 2,4 ГГц. Поскольку передача сигнала ведется, как правило, на малое расстояние (от 1 до 2000 м) и в условиях значительног уровня городских помех, большое значение при проектировании таких приемников уделяется их эффективной чувствительности и избирательности. Обычно чувствительности приемников цифровых сигналов лежат в диапазоне 90— 110 дБм, полосы пропускания в диапазон от 3 кГц до 54 М Гц. Кроме того, приемники такого вида зачастую являются мобильными, поэтому особые требования предъявляются к и массогабаритным показателям.

Для передачи цифровых данных используются сигналы с различными современными (частотно-эффективными) методами манипуляции: частотной (ЧМн), фазовой (ФМн), амплитудно-фазовой (АФМн). Сигнал с амплитудной манипуляцией (АМн) менее помехоустойчив, но наиболее прост при формировании, приеме и демодуляции. Полоса пропускания радиотракта выбирается исходя из значения допустимых искажений либо из условия получения максимального отношения сигнала к помехе.

Линейная додетекторная часть радиотракта приемников цифровых данных может строиться по тем же структурным схемам приемнико аналоговых сигналов. В большинстве случаев приемники цифровы данных строятся по супергетеродинной схеме с однократным преобразованием частоты, но также встречаются сверхрегенеративные приемники и приемники прямого преобразования.

Так как на выходе такого приемника (на входе ОУ) должен присутствовать сигнал в цифровом виде, в качестве последнего каскада ставится пороговое устройство (ПУ) — компаратор (для бинарной инфор мационной посылки) или дешифратор. При этом структурные схемы таких приемников могут выглядеть так, как показано на рис. 2.6, а, б Приемник прямого усиления удобен и прост в реализации при фиксированной настройке для случая приема широкого спектра сигнало или при отсутствии сигналов и помех на побочных каналах.

Рис. 2.6. Примеры структурных схем приемников цифровых данных: а — прямое усиление; б — супергетеродин Высокочастотный селективный усилитель ВЧ СУ в таких приемниках строится на основе фильтра на поверхностных акустических волнах, имеющего малые габариты и высокие селективные свойства. Такие же фильтры, как правило, используются и в фильтре промежуточной частоты ФПЧ и в качестве полосовых фильтров ВЧ ПФ, включенны на рис. 2.6, б в качестве входной цепи супергетеродинного приемника.

Таким образом, специфика приема сигналов цифровых данных заключается в основном в детектировании и в последетекторной обработке сигнала.

Рассмотрим пример структурной схемы детектора сигналов с амплитудной манипуляцией — рис. 2.7.

Амплитудный детектор АД преобразует АМн-радиоимпульсы в видеоимпульсы, далее манипуляционный фильтр МФ сглаживает сигнал, уменьшая провалы в посылках и выбросы в паузах. Симметрирующее устройство СУ обеспечивает оптимальный порог срабатывания порогового устройства ПУ: ?_П0Р = г/вх/2.

Пороговое устройство ПУ улучшает форму получаемых видеоимпульсов, а устройство защиты паузы корректирует работу СУ, защищая ПУ от помех в паузах; т. к. в паузе 6/_вх = 0 и /фор —> 0, то любая помеха может вызвать ложное срабатывание ПУ.

Рис. 2.7. Вариант детектора сигналов с амплитудной манипуляцией.

Аналогичным образом могут быть построены детекторы ЧМн-сигналов — рис. 2.8. Амплитудный ограничитель АО необходим для корректной работы частотного детектора ЧД. УЗП не используется т. к. при непрерывной передаче информационного сообщения пау в сигнале с ЧМн не возникает.

Рис. 2.8. Детектор сигналов с частотной манипуляцией.

Для детектирования ФМн-сигналов при относительной фазовой телеграфии (изменение фазы излучаемого сигнала от одной посылк к другой происходит в том случае, если следующая посылка, например, = 0) можно использовать фазовый детектор ФД, где происходи сравнение фаз соседних посылок, на второй вход которого подаетс тот же сигнал, но задержанный на длительность /₀ одной посылки («0"В или «1») — см. рис. 2.9.

Рис. 2.9. Детектор сигналов с фазовой манипуляцией.

Для обеспечения правильной регистрации сигналов в приемном устройстве необходимо согласовать моменты отсчетов с поступление элементарных сигналов, образующих кодовые комбинации, границ между которыми также должны быть точно известны. С этой целью могут использоваться специальные системы синхронизации, управляющие приемным распределителем — устройством, осуществляющим отсчет элементарных посылок и кодовых комбинаций.

Дополнительно рассмотрим пример упрощенной структурной схемы приемника прямого преобразования с использованием цифрового сигнального процессора (ЦСП), где решение проблем синхронизации элементарных посылок эффективно решается без усложнения аппаратной структуры — рис. 2.10.

Рис. 2.10. Пример структурной схемы приемника на базе цифрового сигнального процессора.

При прямом преобразовании синтезатор частоты СЧ настраивается на частоту несущего колебания, и на смесители подаются сигналы, смещённые по фазе на р/2. Обработка сигнала выполняется аналогично квадратурной схеме оптимального некогерентного приемника (см. рис. 2.4, в), без необходимости знания начальной фазы принимаемого сигнала, но здесь полученные в смесителях и усиленные в УНЧВ квадратурные составляющие после аналого-цифровых преобразований поступают в ЦСП для последующей программно-аппаратной обработки в соответствии с выбранным типом модуляции/манипуля-ции. Выходной сигнал поступает на цифровые оконечные устройств и/или через ЦАП на аналоговые ОУ.

Современные ЦСП могут содержать встроенные декодеры, шины параллельных и последовательных интерфейсов, блоки АЦП, ЦАП ШИМ, которые могут быть использованы для управления синтезатором частоты СЧ и параметрами (коэффициентами усиления, полосо частот) ВЦ, УРЧ, УНЧ. На индикаторы может выдаваться произвольная информация, в том числе частоты настройки, вид модуляции и качество сигнала, параметры режима работы приемника и т. д.