Как сделать широкополосный сигнал
Добавил пользователь Skiper Обновлено: 19.09.2024
Широкополосные методы передачи впервые были применены в конце 2-й мировой войны в военных радиотехнических системах для обеспечения высокого расширения по дальности и борьбы с преднамеренными помехами противника. На данный момент эти методы были усовершенствованы, а многие недостатки устранены. Системы с ШПС( шумоподобными сигналами) получают все большее распространение за счет своих качеств, таких как: помехозащищенность при действии мощных помех и кодовую адресацию большого числа абонентов и их кодовое разделение при работе в общей полосе частот одновременно.
Широкополосная система - система, передаваемый сигнал которой занимает очень широкую полосу частот, значительно превосходящую ту минимальную ширину полосы частот, которая фактически требуется для передачи информации. По факту один символ представляется длинной кодовой последовательностью, что позволяет работать с большим уровнем шумов, ведь если даже часть этой последовательности будет искажена шумами, ее можно будет восстановить на приемной стороне.
Наиболее известным примером широкополосной модуляции является обычная частотная модуляция с индексом модуляции, большем единицы. Полоса, занимаемая ЧМ сигналом, является функцией не только полосы информационного сигнала, но и "глубины" модуляции. Во всех широкополосных системах выигрыш в величине отношения мощности сигнала к мощности шума достигается в процессе модуляции демодуляции. При ЧМ сигналах ОСШ на выходе демодулятора равно:
Где - максимальное значение индекса частотной модуляции;
- ОСШ в полосе модулирующих частот или в полосе информационного сигнала, где S -мощность сигнала; N - мощность шума.[1]
Широкополосную ЧМ можно рассматривать как широкополосный метод передачи, поскольку получаемый высокочастотный спектр (спектр радиочастот) имеет ширину, значительно превосходящую ширину спектра частот, занимаемого информационным сигналом.
Из всех возможных широкополосных видов модуляции можно выделить следующие три основных вида:
1. Модуляция несущей цифровой кодовой последовательностью с частотой следования символов , во много раз превосходящей ширину полосы информационного сигнала. Такие системы называются системами с одночастотным псевдослучайным сигналом.
2. Модуляция путем изменения (сдвига) частоты несущей в дискретные моменты времени на некоторую величину, значение которой задается кодовой последовательностью. Такие изменения частоты называются "частотными скачками". В этом случае в передатчике происходят мгновенные переходы с одной частоты на другую, каждая из которых выбирается из некоторого заранее определенного множества, причем порядок использования частот определяется кодовой последовательностью.
3. Линейная ЧМ импульсов, в результате которой частота несущей изменяется в широкой полосе частот за время, равное длительности импульса.
Метод широкополосной передачи был открыт К.Е Шенноном, который впервые ввел в рассмотрение понятие пропускной способности канала:
где С - пропускная способность, бит/с ; W - ширина полосы, Гц ; S - мощность сигнала; N - мощность шума. [1]
Это уравнение устанавливает связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу с заданным ОСШ и полосой частот, отведенной для передачи информации.
Для любого заданного ОСШ малая частота ошибок при передаче получается при увеличении полосы частот, отводимой для передачи информации.
Следует отметить, что сама информация может быть введена в широкополосный сигнал несколькими способами. Наиболее известный способ заключается в наложении информации на широкополосную модулирующую(рис.1).
Рис.1.Структурная схема системы с псевдослучайными одночастотными сигналами и формы сигналов в различных ее точках.
Кодовую последовательность перед модуляцией несущей для получения широкополосного сигнала. Этот способ пригоден для любой широкополосной системы, в которой применяется кодовая последовательность для расширения спектра высокочастотного сигнала ( системы с одночастотным и многочастотным псевдослучайными сигналами). Очевидно, что предаваемая информация в этом случае должна быть представлена в некотором цифровом виде, поскольку наложение информации на двоичную кодовую последовательность обычно выполняется в виде операции сложения по модулю 2. В другом варианте информация не может быть использована для непосредственной модуляции "несущей" до расширения спектра. При этом обычно используется один из видов угловой модуляции, поскольку в широкополосных системах в большинстве случаев желательно, чтобы огибающая выходного высокочастотного сигнала была постоянной.
Следует отметить некоторые свойства широкополосных система:
Однако невозможно, чтобы система одновременно обладала всеми вышеперечисленными свойствами. Например, трудно ожидать, что сигнал, обладающий хорошей скрытностью, одновременно может быть принят на фоне интенсивных помех. Однако система могла бы удовлетворить и тем и другим требованиям, если использовать режим передачи с пониженной мощностью, когда требуется скрытность, и режим передачи с повышенной мощностью для подавления интерференционных помех.
Одинаковый эффект дает передача сигнала мощностью 10 Вт с шириной спектра в 1 МГц и сигнала с шириной спектра в 200 МГц, но мощностью всего лишь 200 мВт.
Поскольку используемый в широкополосных системах уровень сигнала сравним с уровнем естественного шума (noise floor), часто их называют системами шумоподобного сигнала. Низкий уровень сигнала снижает помехи, создаваемые широкополосного сигнала для других передатчиков и наоборот — узкополосные помехи слабо влияют на качество приема широкополосного сигнала.
Как видно из рисунка, станции в каждый момент времени работают на различных частотах, что позволяет одновременно работать большому количеству передатчиков. В случае возникновения узкополосной помехи она будет искажать только часть передаваемого сигнала, что позволяет говорить о помехозащищенности данного метода. Кроме того, последовательность скачков может выбираться с использованием псевдослучайной функции, что усложняет прослушивание передаваемых данных со стороны третьих лиц, приемники которых не синхронизированы с передатчиками.
Недостатками метода частотных скачков являются невысокая максимальная скорость передачи, связанная с потерями на переключение между частотами (hop time), и относительно высокая мощность передачи на каждой из частот, что может мешать работе других передатчиков.
Метод DSSS использует для расширения спектра радиосигналов различные методы кодирования. С их помощью один символ (нуль или единица) кодируется последовательностью из нескольких прямоугольных импульсов меньшей длительности. Поскольку ширина спектра прямоугольного импульса обратно пропорциональна его длительности, передача нескольких импульсов (чипов) за время, отведенное под один импульс, расширяет частотный диапазон. В качестве методов преобразования используются код Баркера (Barker Code), комплиментарный код (Complementary Code Keying, ССК) или метод ортогонального частотного разделения с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).
При использовании метода OFDM поток передаваемых данных распределяется по нескольким подканалам и передача ведется параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая пропускная способность достигается за счет одновременной передачи на нескольких подканалах, поскольку скорости передачи всех подканалов суммируются. Частоты несущих для подканалов выбираются таким образом, чтобы они были ортогональны друг другу, т.е., чтобы их произведение, усредненное на некотором интервале, равнялось нулю. Это позволяет выбирать в качестве подканалов перекрывающиеся частоты, поскольку ортогональность несущих гарантирует отсутствие межканальной интерференции.
Предлагаемый вниманию читателей обнаружитель (детектор сигналов) сигналов очень прост и доступен для повторения даже начинающими радиолюбителями. Для кого-то из них данное устройство может стать первой конструкцией, на основе которой можно получить навыки монтажа электронных схем. Кроме того, особый интерес может представлять практическое использование устройства для выявления источников электромагнитных сигналов как в помещениях (радиотрансляция, импульсные источники питания, телефонные линии и т.д.), так и на городских улицах (сети телефонной и сотовой связи, охранной сигнализации и т.д.). Таким образом, перед начинающими радиолюбителями открывается невидимый мир электромагнитных сигналов. Однако обнаружитель сигналов может быть полезен и широкому кругу людей, например, в поиске помех радио- и телевизионному приему.
Фактически схема обнаружителя представляет собой приемник прямого усиления. Электромагнитный сигнал, принятый штыревой антенной, детектируется диодами VD1 и VD2, а затем сигнал подается на усилитель низкой частоты на транзисторах VT1 — VT3. К выходу УНЧ подключаются головные телефоны сопротивлением около 60 — 70 Ом. Большинство современных головных телефонов для носимых медиаплееров, сотовых телефонов и другой аппаратуры имеет сопротивление каждого излучателя 30 — 32 Ом, поэтому последовательно соединенные излучатели телефонов обеспечат требуемое сопротивление нагрузки для УНЧ.
Диоды VD1 и VD2 — германиевые (ГД507, Д9 и т.д.), вместо транзисторов ВС547 можно использовать КТ3102.
Детали устройства устанавливаются на фанерной пластине размером 160x60x10 мм. Выводы деталей паяются к шляпкам медных гвоздиков, забитых в пластину с учетом размещения компонентов схемы. Перед пайкой шляпки гвоздиков следует залудить. Держатель батарейки и разъем для подключения головных телефонов крепятся к пластине с помощью клея.
Штыревая антенна изготавливается из жесткого провода диаметром 1 — 2 мм. Длина антенны — 300 мм. На ее конце провод следует изогнуть в форме кольца диаметром около 20 мм. Кольцо позволит избежать травм при эксплуатации обнаружителя сигналов.
Правильно изготовленное устройство в настройке не нуждается; потребляемый ток не должен превышать 1,5 мА.
Широкополосными называются сигналы, база которых равная произведению длительности сигнала на ширину спектра на много больше 1.
,
где - база сигнала,- длительность сигнала,- ширина спектра.
Существует два основных способа расширения базы сигнала:
прямое расширение спектра частот;
скачкообразное изменение несущей частоты.
Прямое расширение спектра частот
При использовании первого способа расширения базы исходный узкополосный сигнал умножают на псевдослучайную последовательность (ПСП) или на последовательности Уолша, состоящие из элементов (чипов) длительностьюкаждый и имеющую период повторения. В этом случае база сигналачисленно равна количествуэлементов на периоде ПСП или последовательности Уолша. На практике часто используют бинарные ПСП, т.е. последовательности на основе двоичного алфавита.
Так в CDMA (Code Division Multiple Access), использует специальные коды для идентификации соединений. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общего радиосигнала ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.
При кодовой модуляции применяется техника расширения спектра с множественным доступом. Она позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала. Передаваемые данные комбинируются с более быстрым шумоподобным псевдослучайным сигналом с использованием операции побитового взаимоисключающего ИЛИ (XOR). Структурная схема кодового модулятора представлена на рис.3.47. Сигнал данных с длительностью импульса комбинируется при помощи операции XOR с кодом сигнала, длительность импульса которого равна, следовательно, ширина полосы сигнала с данными равна. Так какнамного меньше, то и база сигнала намного больше 1.
Скачкообразное изменение несущей частоты
Рассмотрим принцип работы системы передачи сигналов с расширенным спектром, использующих метод скачкообразной перестройки частоты, для чего приведем структурную схему ее построения (рис.3.48).
Читайте также: