книги / Физические основы получения информации

на его выходе появляется положительное напряжение, отобра­ жающее логическую единицу. При этом на выходе элемента И также появится 1, так как на двух его входах действуют напря­ жения логической 1, одно подается с выхода первого компара­ тора, другое - с выхода инвертора, подключенного к выходу второго компаратора. Вследствие этого на выходе элемента ИЛИ появится напряжение логической 1, отображающее млад­ ший значащий разряд (2°) в выходном двоичном коде.

На выходе 21 второго инвертора (старший значащий раз­ ряд) будет 0, поскольку на его входе действует 1.

Если уровень входного сигнала превышает 2 В, то сраба­ тывает и второй компаратор, и на его выходе появляется 1, ко­ торая после двойного инвертирования будет действовать на выходе 21 При этом на выходе 2° будет 0, поскольку элемент И на выходе первого компаратора закроется, так как на одном из его входов будет 1, а на другом - 0.

Когда напряжение входного сигнала превысит 3 В, срабо­ тает и третий компаратор, и на его выходе появится напряжение логической 1, которая, пройдя через элемент ИЛИ, даст напря­ жение логической 1 на выходе 2°

!а ^

Г]

Рис. 8.12. Схема цифроаналогового преобразователя

171

На практике обычно применяют 5-8-разрядные парал­ лельные АЦП, обеспечивающие преобразование сигналов по 25- 2 8 уровням.

На рис. 8.12 показана схема четырехразрядного цифроаналогового преобразователя.

Дешифратор питается от стабилизированного источника напряжения. Это обеспечивает высокую точность напряжений на десятичных выходах. Все напряжения суммируются (с соот­ ветствующими весовыми коэффициентами), на выходе сумма­ тора действует постоянное напряжение, значение которого со­ ответствует значению аналогового сигнала. Это принцип ЦАП с так называемыми «взвешенными резисторами», сопротивления которых, в зависимости от положения в схеме, имеют свои ко­ эффициенты, соответствующие значению разряда преобразо­ ванного цифрового сигнала (ЦС):

ЦС = а„_! 2”"1+ • • ■+ а02°

8.6. Цифровые системы связи

Рассмотрим упрощенную структурную схему современно­ го радиоканала цифровой системы связи (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Схема цифрового радиоканала

172

Непрерывные сообщения преобразуют в цифровую форму с помощью операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования в цифровой двоичный код.

Впередающем устройстве цифровой системы радиосвязи кодирование передаваемого сигнала выполняется цифровой микросхемой, называемой кодером.

На выходе кодера передаваемый первичный сигнал имеет вид цифрового кода - некую последовательность импульсов (единиц) и пауз (нулей), обычно с одинаковой длительностью.

Вмодуляторе передатчика несущее колебание модулиру­ ется полученной в кодере импульсной последовательностью. Чаще всего в цифровых системах связи применяется так назы­ ваемая импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

Вслучае применения ИКМ дискретные значения непре­ рывного сигнала передаются в виде кодовых комбинаций. При использовании двоичного представления кодовая комбинация может выражать целое число, равное соответствующему уровню непрерывного сигнала в момент его дискретного отсчета.

Вприемнике после усиления на радиочастоте и промежу­ точной частоте из сигнала с помощью демодулятора извлекается последовательность кодовых символов. Затем производится де­ кодирование этих символов в декодере, с которого восстанов­ ленный аналоговый сигнал поступает к получателю сообщений.

Всовременных цифровых системах передачи информации используются два вида относительно самостоятельных, разме­ щенных на отдельных микросхемах аналого-цифровых уст­ ройств: кодеки и модемы.

Кодеком называется пара преобразователей кодер - деко­ дер, а модемом - пара преобразователей модулятор - демо­ дулятор.

Модемы выполняют определенный набор различных функций, в зависимости от принципов реализации которых вы­ деляют проводные, или телефонные, модемы, сотовые модемы, пакетные радиомодемы, связные высокочастотные радиомоде­ мы, цифровые радиомодемы, факс-модемы и пр.

Проводные модемы включаются в системах связи между телефонной сетью общего пользования и компьютером.

173

8.7.Системы сотовой подвижной радиосвязи

В1946 г. в США была организована первая сеть мобиль­ ной (подвижной) связи. Это была простейшая шестиканальная (с шестью несущими частотами) система с одной базовой при­ емопередающей станцией для передачи и приема абонентских сообщений с установленных на автомобилях радиостанций.

Система имела два существенных недостатка:

- мобильная станция была «привязана» к приемопере­ дающей станции, так как их мощности были одинаковыми;

- ее частотный ресурс (отведенная полоса радиочастот) был ограниченным, поэтому она обслуживала незначительное число абонентов.

Указанные проблемы удалось решить путем разработки сотовой концепции связи, суть которой довольно проста.

Вся обслуживаемая зона (территория) связи по аналогии с рамкой пчелиного улья разбивается на небольшие соприкасаю­ щиеся ячейки - соты. В центре каждой соты устанавливается маломощная базовая приемопередающая станция (БПС) с неко­ торым набором несущих частот (каналов связи), достаточным для установления абонентской связи согласно предполагаемому графику.

Базовые станции с помощью проводной, радиоканальной или волоконно-оптической линии связи подключаются к выходу сотового терминала, который соединен с телефонной сетью общего пользования.

Следует отметить, что физически в сотовых сетях связи рэциопокрытие какой-либо территории осуществляется ячейка­ ми, антенны БПС которых имеют круговые диаграммы направ­ ленности. И тем не менее реально связь осуществляется по со­ товой модели. Дело в том, что пересечение соседних окружно­ стей происходит по хордам, которые и образуют шестигранные ячейки - соты.

Всвязи с тем, что любая сота имеет небольшой радиус действия, мощность базовой станции, как и мощность мобиль­ ной станции, может быть очень незначительной.

Все БПС имеют один и тот же предполагаемый набор не­ сущих частот радиосигналов. В этом случае особенно мешают

174

приему сигналов взаимные помехи по совпадающим частотным каналам - соканальные помехи.

Существенно снизить уровни соканальных помех позво­ ляет метод использования в сотовых БПС нескольких направ­ ленных антенн, имеющих секторные диаграммы направленно­ сти. Антенна с такой ДН излучает практически всю энергию сигнала в заданном направлении, а уровень боковых излучений сокращается до минимума. Секторное построение БПС позволя­ ет многократно применять набор частот при одновременном снижении уровня соканальных помех.

Наибольшую емкость обеспечивает сотовая модель сис­ темы радиосвязи, содержащая БПС с шестью 60-градусными ДН антенн.

Сотовая концепция включает в себя также идею «эстафет­ ной передачи» (hand off - сопровождение, переброска) перего­ ворных сигналов из соты в соту, вследствие чего абонент может вести разговор, свободно пересекая границы сот, автоматически переключаясь с одной базовой станции на другую.

Обычно внедрение сотовой сети связи начинается с раз­ вертывания небольшого числа крупных сот (макросот) с радиу­ сом действия 1-35 км, затем макросотовая структура постепен­ но трансформируется в сеть с большим числом более мелких сот (микросот) и радиусом действия до 1000 м. Такой способ преоб­ разования сотовых сетей связи называется расщеплением. В этом случае мощность радиопередатчиков базовых станций уменьшается еще больше.

Бурное развитие современных радиотехнологий позволи­ ло освоить новую концепцию построения сотовых сетей, свя­ занную с использованием в БПС так называемых интеллекту­ альных антенных систем, автоматически перестраивающих свои ДН на источник излучения сигнала - мобильные станции. На практике это стало возможным с внедрением фазированных ан­ тенных решеток и адаптивных антенн, разработанных специ­ ально для цифровых систем связи.

Наиболее эффективными оказались адаптивные ФАР, реа­ лизующие максимальный коэффициент усиления антенны в на­ правлении ведущего переговоры мобильного абонента и обес­

175

печивающие минимальный уровень соканальных помех в при­ емнике.

Интеллектуальная антенная решетка состоит из ряда эле­ ментарных антенн (излучателей), объединенных микропроцес­ сором с амплитудными и фазовыми анализаторами принимае­ мых радиосигналов. По результатам анализа амплитудных и фа­ зовых соотношений сигналов, поступающих на элементарные антенны от мобильной станции, сигнальный процессор опреде­ ляет направление оптимального приема и формирует требуемую ДН решетки.

Все системы сотовой связи строятся по типовой структур­ ной схеме (рис. 8.14). Основной элемент сотовой сети - центр коммутации (ЦК) связи, который является интерфейсом (про­ граммно-аппаратное средство, обеспечивающее взаимодействие двух систем или процессов в точке их сопряжения, устройство обмена информацией, или, согласно русской терминологии, - стык) между ТСОГ1 (телефонной связью общего пользования) и базовой станцией (БС).

Рис. 8.14. Структурная схема сотовой связи

На БПС любой соты один радиоканал задействован в ка­ честве вызываемого и имеет специальный канал опознавания. Все абонентские мобильные станции (МС) постоянно работают в режиме «дежурного приема» (stand-by) на канале вызова.

Для вызова мобильного абонента (мобильного телефона - МТ) его закодированный опознавательный сигнал включается одновременно на всех базовых станциях зоны обслуживания. Получив свой вызовной сигнал МС подтверждает факт его приема на ответной частоте канала вызова. После установления

176

этой процедуры ЦК подключает на связь переговорный канал той базовой станции (соты), в зоне которой обнаружена мобиль­ ная станция.

Если вызов осуществляется подвижным абонентом, то его МС автоматически находит свободный канал ближней базовой станции и выходит на связь с ним.

На рис. 8.15 приведена структурная схема современного мобильного радиотелефона стандарта GSM.

Приемное устройство цифрового радиотелефона рассмат­ риваемой системы связи представляет собой соединенные по­ следовательно ненаправленную, достаточно широкополосную антенну и супергетеродинный приемник с двойным преобразо­ ванием частоты радиосигнала. Принятый антенной переговор­

ный радиосигнал частотой / с через высокочастотный полосо­

вой керамический фильтр (фильтр со стабильными частотными характеристиками) и малошумящий усилитель (МШУ) поступа­ ет на один вход первого смесителя приемника.

Фильтр /с /пр! / Пр2

Рис. 8.15. Структурная схема мобильного радиотелефона стандарта GSM

На другой его вход подается с синтезатора частот (много­ частотного генератора со ступенчатым переключением частот) напряжение гетеродина / гет.

177

Сигнал первой промежуточной частоты / , выделяется

полосовым фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ), усиливается усилителем первой промежуточной часто­ ты (УПЧО и поступает на первый вход второго смесителя приемника.

На второй вход этого смесителя подается (вспомога­ тельный генератор) с генератора частот напряжение гете­ родина f u .

Полученный в результате преобразования полезный ра­ диосигнал второй промежуточной частоты отфильтровывается полосовым фильтром на Г1АВ, усиливается вторым усилителем УПЧ2 и затем поступает на амплитудный детектор (Д). Продетектированный сигнал преобразуется ЦАП в аналоговый и по­ ступает на телефон.

Передаваемая информация с микрофона в виде аналогово­ го сигнала поступает в аналого-цифровой преобразователь. В АЦП непрерывный сигнал преобразуется в цифровой код, с которым оперирует сигнальный процессор (CPU).

Передающее устройство мобильного радиотелефона фор­ мирует информационный радиосигнал с достаточно сложным законом модуляции. В режиме передачи созданный в CPU циф­ ровой переговорный сигнал поступает на аналоговую часть ра­ диопередатчика.

Модулирующий сигнал формируется в I/Q-генераторе, на который подается колебание генератора частот. С //0-генера­ тора полученный сигнал поступает на фазовый модулятор, с ко­ торого колебание / ФМ передается на смеситель передатчика. На

второй вход смесителя приходит напряжение частоты / прд с синтезатора частот.

Преобразованный сигнал / с, через полосовой керамиче­ ский фильтр подается на регулируемый УМ, который управляет­ ся сигнальным процессором. Излучаемая мощность радиотеле­ фона регулируется по специальным командам БПС, через кото­ рую осуществляется связь с мобильным абонентом.

Усиленный до необходимого уровня мощности сигнал частотой / с, через полосовой керамический фильтр поступает в

178

антенну, с помощью которой излучается в окружающее про­ странство.

Антенна одновременно выполняет функции и передачи и приема. Она представляет собой так называемую спиральную антенну.

Аналоговая часть радиотелефона включает в себя высоко­ частотное и низкочастотное передающее и приемное устройст­ ва, которые выполнены по классической для любой системы ра­ диосвязи схеме.

Цифровая логическая часть радиотелефона данной систе­ мы мобильной связи формирует и обрабатывает передаваемые и принимаемые информационные и служебные сигналы. Она включает в себя цифровой сигнальный процессор, память (опе­ ративную, постоянную и другие виды цифровой памяти), SIMкарты (модули подлинности абонента), АЦП, ЦАП, канальный эквалайзер (выравниватель амплитуд сигналов, в данном случае импульсных), канальный кодер - декодер, цифровую клавиатуру и дисплей.

Логическая часть выполняет операции кодирования / де­ кодирования, сжатия и восстановления сигнала, обрабатывает информацию, вводимую с клавиатуры, и решает ряд других специальных задач.

8.8.Спутники связи

Сконца 60-х годов прошлого столетия начался ввод в

эксплуатацию тяжелых спутников связи на стационарной орби­ те. Стабилизация положения их антенн с весьма узкими диа­ граммами направленности осуществляется современными мето­ дами. Тяжелые спутники позволили осуществлять связь с на­ земными объектами, не имеющими многометровых острона­ правленных антенн. В частности, стала возможной непосредст­ венная связь через спутник с летящими самолетами, оборудо­ ванными обычными штыревыми антеннами, а также устойчивая радиосвязь с наземными объектами, имеющими антенны диа­ метром всего 0,3 м.

На рис. 8.16 показан внешний вид тяжелого спутника свя­ зи. Его масса около 1т. Корпус спутника цилиндрической

179

формы имеет высоту 3 м и диаметр 2,9 м, он изготовлен из алюминиевых листов с со­ товой внутренней структурой, оклеенных с двух сторон лис­ тами стеклопластика толщи­ ной 2 см. Снаружи на корпусе расположены 60 000 солнеч­ ных элементов, которые обес­

Рис. 8.16. Спутник связи печивают получение мощно­ сти сигнала, равной 1 кВт.

Стабилизация спутника осуществляется вращением его вокруг оси со скоростью 55 об/мин. Антенная система спутника установлена на платформе, вращающейся в сторону, противопо­ ложную направлению вращения корпуса спутника. В результате антенная система всегда остается направленной на Землю. Такая система стабилизации за счет вращения тяжелых масс считается весьма эффективной.

Антенная система этого тяжелого спутника обеспечивает регулирование направления максимума диаграммы направлен­ ности остронаправленных антенн. Две передающие параболиче­ ские антенны диаметром 1,27 м каждая, имеющие ширину диа­ граммы направленности 4,5°, могут поворачиваться относитель­ но вращающейся с антенной платформы по командам с Земли. В результате излучение может быть направлено в выбранные районы Земли. На спутнике установлено 12 приемопередатчи­ ков с шириной полосы по 40 МГц каждый. В передающих уст­ ройствах используются усилители с фильтрами на линейных бо­ ковых волнах с выходной мощностью по 7,5 Вт. Всего на борту установлено 24 таких усилителя, 12 из них являются запасными. При одновременной работе 12 каналов приемопередачи обеспе­ чивается передача 12 программ цветного телевидения или дву­ сторонняя радиотелефонная связь по 600 каналам.

Радиоэлектронное оборудование и конструкцию спутника связи с активным ретранслятором широкополосного сигнала рассмотрим на примере средневысотного спутника. Спутник предназначен для приема и ретрансляции сигналов с частотной модуляцией. С наземной станции на борт спутника поступают

180