Отраслевая специфика радиосвязи

РОСОБРАЗОВАНИЕ Пензенская государственная технологическая академия Кафедра ВмиС Самостоятельная работа по дисциплине Основы теории передачи информации Пенза 2011 г.

1. Теоретический раздел.

1.1 Классификация радиосвязи.

1.2 Многоканальная система связи.

1.3 Частотное разделение связи.

2. Практический раздел Задачи.

1. Теоретический раздел.

1.1 Классификация радиосвязи.

Радиосвязь — разновидность связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны в пространстве.

Радиосвязь бывает односторонняя и двухсторонняя. Односторонняя радиосвязь обеспечивает передачу сообщения в прямом, двухсторонняя в прямом и обратном направлениях.

Радиосвязь бывает симплексная и дуплексная. Симплексная радиосвязь предусматривает поочередный (только передача и только прием) обмен информацией, при этом переключается приемопередающая аппаратура и требуется 1 рабочая частота. Дуплексная радиосвязь предусматривает одновременный двухсторонний (прием и передача) обмен информацией, без переключения аппаратуры, но требуется 2 разных несущих частоты.

Частотная сетка, используемая в радиосвязи, условно разбита на диапазоны:

· Длинные волны (ДВ) — f = 150—450 кГц (л = 2000—670 м).

· Средние волны (СВ) — f = 500−1600 кГц (л = 600—190 м).

· Короткие волны (КВ) — f = 3−30 МГц (л = 100−10 м).

· Ультракороткие волны (УКВ)—f = 30−30 000 МГц (л = 10−0,01 м) Радиосвязь можно разделить на:

1. ДВ-, СВ-, КВи УКВ-связь без применения ретрансляторов.

2. Спутниковая связь.

3. Радиорелейная связь.

4. Сотовая связь.

Спутниковая связь — один из видов радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников земли в качестве ретрансляторов. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными.

Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от сотен до десятков тысяч км). Так как зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного.

Для построения систем спутниковой связи используются в основном три разновидности ИСЗ — на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). С точки зрения радиосвязи каждый тип ИСЗ имеет свои достоинства и недостатки.

В зависимости от назначения системы спутниковой связи и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы радиосвязи:

— фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также для распределения телевизионных программ;

— подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и др.);

— радиовещательная спутниковая служба для непосредственного приема радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у населения.

Радиорелейная связь — радиосвязь по линии, образованной цепочкой приёмо-передающих (ретрансляционных) радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деции сантиметровых волнах.

Антенны соседних станций обычно располагают в пределах прямой видимости, так как это самый надежный вариант. Для увеличения радиуса видимости антенн их устанавливают как можно выше — на мачтах (башнях) высотой 70−100 м (радиус видимости — 40−50 км) и на высоких зданиях. Протяженность наземной линии радиорелейной связи — до 10 000 км, ёмкость — до нескольких тысяч каналов.

Позже на её основе (как магистральной сети) строилась российская сеть сотовой связи, особенно в регионах.

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).

Примечательно, что в английском варианте связь называется «ячеистой» или «клеточной» (cellular), что не учитывает шестиугольности сот.

Сеть составляют разнесенные в пространстве приемопередатчики, работающими в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приемопередатчика в зону действия другого.

Существует множество классификаций радиостанций и систем связи на их основе, но наиболее общее — это разделение средств радиосвязи на любительские и профессиональные.

Профессиональные радиостанции — это высококачественный продукт, отвечающий всем требованиям жестких условий эксплуатации в различных отраслях профессиональной деятельности, функционально насыщенные, подлежащие обязательной регистрации в органах надзора за связью, позволяющие объединять такие радиостанции в единые сети связи.

Классификация решений профессиональной мобильной радиосвязи (ПМР) определяется отраслевой спецификой ПМР.

Все системы можно разделить на:

— системы с закрепленными каналами или конвенциональные (невысокая плотность абонентов, ручной выбор каналов);

— локальные (малого радиуса действия, без использования базовых станций);

— диспетчерские на базе симплексной радиостанции;

— диспетчерские на базе ретранслятора;

— многозоновые сложные диспетчерские системы;

— системы c распределенными каналами или транкинговые (высокая плотность абонентов, централизованное управление системой);

— аналоговые (оперативная речевая связь, статусные сообщения);

— цифровые интегрированные системы (оперативная речевая связь, дуплексная беспроводная телефония, все виды передачи данных).

1.2 Многоканальная система связи.

Многоканальная связь- система электросвязи, обеспечивающая одновременную и независимую передачу сообщений от нескольких отправителей к такому же числу получателей. Многоканальная связь применяется для передачи по кабельным, радиорелейным и спутниковым линиям связи телефонных и телеграфных сообщений, данных телеметрии и команд телеуправления, телевизионных и факсимильных изображений, информации для ЭВМ, в автоматических системах управления и т. д. Системы многоканальной связи в сочетании с коммутационными системами явятся важнейшими составными частями единой автоматизированной системы связи. В основу построения систем многоканальной связи положен принцип уплотнения линий связи. Наиболее распространено частотное уплотнение, при котором каждому каналу связи отводится определённая часть области частот, занимаемой трактом групповой передачи сообщений. В качестве стандартного канала принимается канал тональной частоты (ТЧ), обеспечивающий передачу речевого (телефонного) сообщения с эффективной полосой частот 300−3400 гц. С учётом защитных промежутков между каналами каждому из них отводится номинальная полоса частот 4 кгц. При построении многоканальной связи с частотным уплотнением используется метод объединения стандартных каналов в стандартные групповые тракты. Вначале образуют первичный групповой тракт из 12 стандартных каналов, занимающий полосу частот 60−108 кгц. Для этого каждый канал посредством своего индивидуального преобразователя частоты (модулятора) переносится в соответствующую область полосы частот первичного тракта. Из 5 первичных групповых трактов аналогичным образом формируется вторичный и т. д. В практике встречаются системы многоканальной связи на 12, 60, 120, 180, 300, 600, 900, 1920, 10 800 стандартных каналов. Такой метод не только существенно облегчает реализацию электрических фильтров, но также обеспечивает более широкие возможности унификации оборудования и другие технические преимущества. Образование групповых трактов обеспечивает также передачу таких видов информации, которые требуют более широкой полосы частот, чем полоса частот стандартного канала: например, при передаче звукового вещания с полосой частот 50−10 000 гц объединяются 3 стандартных канала, при передаче черно-белого и цветного телевизионного изображений используется полоса частот всего четвертичного тракта (900 стандартных каналов). Для передачи сообщений, требующих полосы частот более узкой, чем полоса частот стандартного канала ТЧ (например, при уплотнении стандартного канала ТЧ низкоскоростными каналами передачи данных), последний с помощью аппаратуры уплотнения разделяют на 24−48 узкополосных каналов. При этом стандартный канал ТЧ становится уплотнённым каналом связи. Такое уплотнение часто называют вторичным. Основное достоинство систем многоканальной связи с частотным уплотнением и однополосной модуляцией — экономное использование спектра частот; существенные недостатки — накопление помех, возникающих на промежуточных усилительных пунктах, и, как следствие, сравнительно невысокая помехоустойчивость. От последнего недостатка свободны системы с временным уплотнением и импульсно-кодовой модуляцией. При построении многоканальной связи большой мощности (по числу каналов) намечается тенденция одновременного использования методов частотного и временного уплотнения. Теория и техника многоканальной связи развиваются в направлении повышения помехоустойчивости передачи сообщений и эффективности использования линий связи.

1.3 Частотное разделение связи.

Частотное разделение каналов: Сущность частотного способа разделения каналов состоит в следующем. Поскольку всякий реальный сигнал должен содержать подавляющую часть своей энергии в пределах ограниченного по ширине спектра частот, то при организации многоканальной связи для передачи сигналов каждого отдельного канала отводится определенный участок общей полосы пропускаемых линией частот. Таким образом, передающее устройство каждого отправителя обязано посылать в линию сигналы, частотный спектр которых полностью вмещается в отведенную данному каналу полосу частот. На приемном конце каждого канала связи создается совокупность напряжений всех частот, образующих линейный сигнал многоканальной связи. Чтобы выделить напряжения частот, которые отображают сообщение, принадлежащее определенному отправителю, и подавить напряжения других частот, приемное устройство должно содержать частотные фильтры. Частотный фильтр каждого канала пропустит только спектр частот своего канала и не пропустит частоты других каналов. Разделение сигналов посредством частотных фильтров называется частотным разделением. В случае частотного разделения условие отсутствия взаимных помех между каналами состоит в том, что сигналы различных каналов должны размещаться в неперекрывающихся частотных полосах, т. е. чтобы ни одна из частот данного канала не попадала в полосу частот других каналов. При организации м-канальной связи на приемном конце необходимо иметь такое же количество частотных фильтров для разделения сигналов различных отправителей. В качестве частотных фильтров (например, в радиовещательных приемниках) могут быть использованы обычные колебательные контуры и полосовые фильтры.

Временной способ разделения каналов: Импульсные методы передачи допускают также организацию многоканальной связи с разделением каналов по времени. В системах временного разделения каналов линия связи при помощи вращающегося переключателя (распределителя) поочередно представляется для передачи сигналов различных отправителей. Распределитель на приемном конце осуществляет избирание сигналов по времени, т. е. разделяет сигналы разных каналов. При этом каждому каналу отводится определенная часть общего времени использования линии. Для полного разделения сигналов необходимо, чтобы переключатели П и П2 вращались с одинаковой скоростью (синхронно).

Кроме того, переключатели должны одновременно подключать к линии либо первую пару корреспондентов, либо вторую (синфазно). Другими словами, при временном разделении сигналы, принадлежащие данному каналу, передаются в интервалы времени, свободные от сигналов других каналов. Условие разделимости сигналов при временном разделении сводится к тому, чтобы сигналы различных каналов не перекрывались во времени. Разделение по уровню: Интересно рассмотреть случай, когда сигналы разных каналов не только передаются одновременно, но и совпадают по форме, т. е. их частотные спектры перекрываются. Различаются сигналы только величиной (например, амплитудой). Пусть имеется трехканальная система с разделением сигналов по амплитуде. Условимся, что сигналы первого канала передаются с (амплитудой Si=l, второго канала — с амплитудой s2 = 2, а сигналы третьего канала передаются импульсами высотой s3 = 3. Оказывается, что такой выбор уровней сигналов разных каналов не позволяет произвести их разделение в месте приема. В самом деле, если, например, будет принят сигнал с уровнем 5 = 3, то невозможно сказать, соответствует ли это переданному сигналу третьего канала 5 = s3 = 3 или сумме сигналов второго и первого каналов 5 = s2 + S = 2 + 1 = 3. Для образования разделимых сигналов нужно выбирать уровни сигналов по определенному правилу. Обратим внимание на тот факт, что в простейшем случае двухканальной линии сигналы обоих каналов S и s2 всегда могут быть разделены, если только их амплитуды отличаются друг от друга. Чтобы выделить сигнал второго канала, сигнал первого канала, усиленный в Ко раз, вычитается из суммы сигналов. Таким образом, разделяющее устройство можно построить в соответствии с блок-схемой. Ток через диод протекает тогда, когда напряжение сигнала не превосходит величины напряжения.

Ограничитель по максимуму можно выполнить по схеме. Здесь ток через диод будет протекать только тогда, когда напряжение сигнала будет больше напряжения. Сопротивление R выбирается настолько большим, чтобы при протекании тока через него т диоды падением напряжения на диодах можно было пренебречь. Иначе говоря, при протекании тока через диод напряжение на выходе резко уменьшается, т. е. ограничивается. Выбор уровней ограничения определяется необходимой величиной, а также уровнями сигналов. Регулируя напряжения, можно установить любой уровень ограничения. Нужно заметить, что в данном случае разделение сигналов оказалось возможным лишь с применением нелинейных элементов — ограничителей. (Под нелинейными элементами понимают такие, в которых зависимость тока от напряжения отличается от прямой пропорциональности). Комбинационное разделение: Существуют ли еще какие-нибудь признаки, опираясь на которые можно производить разделение сигналов? С этой точки зрения полезно познакомиться с так называемым комбинационным разделением. Начнем опять с простейшего случая двухканальной системы. Пусть оба канала работают двоичным кодом с элементами 0 и 1; при этом оказываются возможными четыре разные комбинации сигналов в обоих каналах: если принят сигнал, равный 1, то неизвестно, какому каналу он принадлежит. Однако все четыре комбинации отличаются друг от друга. Поэтому вместо суммарного сигнала можно передавать номер комбинации, так как этот номер однозначно определяет сигналы каждого канала. Задача сводится к передаче четырех чисел, причем эти числа могут быть переданы различными способами (с любым кодом и модуляцией). При такой передаче линейный сигнал является отображением определенной комбинации сигналов различных каналов.

Разделение сигналов, основанное на различии в комбинациях сигналов разных каналов, называется комбинационным разделением. Известным примером комбинационного разделения является система двухканального частотного телеграфирования (ДЧТ). Для передачи четырех комбинаций сигналов используются четыре разные частоты. В общем случае М-канальной системы при основании кода потребуется передавать линейный сигнал, состоящий из N = nM различных комбинаций. Каждая комбинация будет соответствовать сигналу определенного канала. Как в случаях частотного и временного разделения, так и в случаях разделения по иным признакам, предполагалось, что разделяющие устройства полностью разделяют сигналы различных каналов. Однако в реальных условиях между каналами всегда имеются взаимные помехи. К выяснению природы этих помех мы и перейдем.

Взаимные помехи между каналами: С точки зрения возможности полного разделения сигналов по их частотному признаку задача сводится к созданию идеальных частотных фильтров, которые реагировали бы только на синусоидальные колебания в определенной полосе частот и не реагировали бы совершенно на колебания других частот. В основу частотного способа разделения сигналов первоначально было положено явление гармонического резонанса в колебательном контуре. Резонансом называется свойство колебательного контура откликаться наиболее сильно на гармонические (синусоидальные) колебания, входящие в некоторую полосу вблизи его резонансной частоты, и реагировать с меньшей интенсивностью на колебания других частот. Свойства контура как избирательного элемента достаточно полно описываются его частотной характеристикой, т. е. зависимостью величины отклика, например напряжения на выходе контура, от частоты воздействующего напряжения на входе. Частоты соседних каналов, прошедшие через контур, оказывают мешающее действие при приеме полезного сигнала. Некоторое уменьшение мешающего действия получается при использовании в качестве частотного фильтра системы связанных контуров.

В этом случае напряжения мешающих частот ослабляются сильнее, нежели одиночным контуром. Однако и здесь полного подавления мешающего действия получить не удается. Поэтому при проектировании многоканальных линий в реальных условиях приходится учитывать мешающее действие между каналами. Для ослабления взаимных помех между каналами оставляются так называемые защитные полосы. Наличие взаимных помех приводит к уменьшению пропускной способности линии связи, а также к снижению емкости каждого из каналов. Взаимные помехи между каналами имеют место и при временном разделении сигналов. Всякая линия связи по своей физической природе содержит элементы, способные накапливать электрическую энергию. При передаче сигналов это накопительное свойство линии проявляется в ее «инерционности». Такими инерционными элементами являются, например, индуктивность проводов и емкость между ними при передаче по проводным линиям связи. Пусть на входе проводной двухканальной линии действует сумма сигналов. Тогда за счет наличия индуктивности и емкости в линии форма сигналов на выходе будет заметно искажена. Искажения будут тем сильнее, чем больше емкость и индуктивность линии. Искажения обусловливаются тем, что энергия, запасенная в линии от сигнала первого канала, на выходе линии суммируется с энергией сигнала второго канала. Пропускная способность многоканальной линии, таким образом, оказывается ограниченной даже в отсутствие всяких иных помех, кроме помех между каналами. Из приведенных примеров становится ясным, что при организации многоканальных линий связи приходится предпринимать дополнительные меры к уменьшению взаимного мешающего действия между отдельными каналами.

связь радиоволна частотный радиостанция.

2. Практический раздел.

Задача 1.

Условие: приняты искаженные кодовые комбинации, закодированные кодами Хемминга: 1)100110110 и 2)1101010000. Определите разряд, в котором произошла ошибка.

Решение:.

1) исходная комбинация:

Найдем суммы S_i и определим двоичное число.

N=S₄ S₃ S₂ S₁=1011.

В восьмом, втором и первом разрядах произошла ошибка, т. е. не искаженная комбинация — 110 110 101.

2) исходная комбинация:

Найдем суммы S_i и определим двоичное число.

N=S₄ S₃ S₂ S₁=0001.

В первом разряде произошла ошибка, т. е. не искаженная комбинация — 1 101 010 001.

Задача 2.

Определить и исправить ошибку в передаваемой комбинации вида:

Для контроля использовать метод четности.

Решение:.

Проведем проверку на четность по строкам:

k₁=0; k₂=1; k₃=0;

по столбцам:

k₄=0; k₅=0; k₆=1; k₇=0.

Проверка показала, что ошибка возникла в разряде второй строки третьего столбца.

Запишем правильный вариант:

Задача 3.

Условие: Найти преобразование Фурье для сигнала приведенного на рисунке.

Решение:.

Аналитическое выражение для сигнала:

Графическое представление сигнала:

Прямое преобразование Фурье:

Графическое представление спектра сигнала:

Задача 4.

Для спектра, изображенного на рис. 5 определить представление сигнала во временной области.

Рисунок 5.

Решение:.

Задача 5.

Амплитудно-модулированный сигнал описывается математической функцией S_м(t)=7(1+0,3cos1500t)sin2р10⁵t, B. Определить: глубину модуляции, частоту модулирующего сигнала, несущую частоту, максимальную величину мгновенного значения амплитуды модулированного сигнала.

Решение:.

Представим выражение для амплитудно-модулированного сигнала:

.

Из приведенного выражения видно, что глубина модуляции m_АМ=0,3.

Угловая частота модулирующего сигнала щ=1500. Отсюда частота модулирующего сигнала равна Угловая частота несущего сигнала щ=2р10⁵. Откуда частота несущей определяется как Теперь необходимо для определения максимальной величины мгновенного значения амплитуды модулированного сигнала, которое равно S_м+S_н, найти амплитуду модулирующего сигнала и несущего колебания. Амплитуда несущего колебания определяется из исходного выражения и равна S_н=5 В. Определим амплитуду модулирующего сигнала. Поскольку глубина модуляции m_АМ равна.

= m_АМ,.

то определим из этого выражения S_м=m_АМ S_н, S_м=7•0,3=2,1 В. Максимальное значение амплитуды модулирующего сигнала равно.

S_м+S_н=7+2,1=9,1 В.

Задача 6.

Задача 4.1. Амплитудно-модулированный сигнал описывается математической функцией S_м(t)=9(1+0,2cos160t)sin2р10³t, B. Определить: глубину модуляции, частоту модулирующего сигнала, несущую частоту, максимальную величину мгновенного значения амплитуды модулированного сигнала.

Решение:.

Представим выражение для амплитудно-модулированного сигнала:

Из приведенного выражения видно, что глубина модуляции m_АМ=0,2.

Угловая частота модулирующего сигнала щ=160. Отсюда частота модулирующего сигнала равна Угловая частота несущего сигнала щ=2р10³. Откуда частота несущей определяется как Теперь необходимо для определения максимальной величины мгновенного значения амплитуды модулированного сигнала, которое равно S_м+S_н, найти амплитуду модулирующего сигнала и несущего колебания. Амплитуда несущего колебания определяется из исходного выражения и равна S_н=9 В. Определим амплитуду модулирующего сигнала. Поскольку глубина модуляции m_АМ равна.

= m_АМ,.

то определим из этого выражения S_м=m_АМ S_н, S_м=9•0,2=1,8 В. Максимальное значение амплитуды модулирующего сигнала равно.

S_м+S_н=1,8+9=10,8 В.

Задача 7.

Определить энтропию системы, которая описывается дискретной случайной величиной х_i со следующим рядом распределения р (х₁)= р (х₂)=0,1 р (х₃)= р (х₄)= р (х₅)=0,3.

Решение:.

Запишем выражение для энтропии дискретной случайной величины:

бит.

Задача 8.

Источник вырабатывает символы с вероятностями р₁=0,25; р₂=0,7; р₃=0,01, р₄=0,01 р₅=0,01 р₆=0,01 р₇=0,01. Передача информации осуществляется двоичным кодом, длительность всех символов которого равна 2 мс. Определить скорость передачи информации по каналу без помех при использовании равномерного кода.

Решение:.

Запишем выражение для скорости передачи информации:

.

дв.ед/с.