1.6. Висновки

Приведено основні відомості про системи та мережі безпровідного зв'язку та виявлено тенденції їх сучасного розвитку.

Розглянуто основні відомості про системи та мережі безпровідного зв'язку та науково-технічні проблеми, які виникають при їх структурному та параметричному синтезі.

На базі приведеної узагальненої структурної схеми систем безпровідного зв'язку розглянуто призначення окремих функціональних вузлів та їх взаємодія між собою. Приведена структурна схема являється основою для структурного та параметричного синтезу ефективних систем безпровідного зв'язку. Розглянуто основні обмеження для систем безпровідного зв'язку, зокрема Найквіста та Шенона-Хартлі, які також враховуються при синтезі.

Розглянуто аспекти науково - технічної проблеми, які виникають при синтезі ефективних систем безпровідного зв'язку та сформульовано основні завдання, що підлягають вирішенню.

Показано доцільність застосування при дослідженні окремих фунціональних вузлів узагальнених характеристик та приведено методику їх формування.

2. Модуляція, її види та вибір для ефективних безпровідних систем

2.1. Основні види модуляцій та їх характеристики

Одними з найбільш фундаментальних питань побудови систем безпровідного зв'язку являються питання, які стосуються модуляції (modulation). Модуляція, в тому числі цифрова модуляція (маніпуляція) використовується в системах, з каналом зв’язку діпазон частот якого f_min÷f_max, знаходиться за межами смуги частот інформаційного сигналу f_{i min}÷f_{i max}. Саме такими являються безпровідні канали зв’язку. У випадку аналогового (неперервного) характеру інформаційного сигналу використовується аналогова модуляція, а у випадку цифрового (дискретного) характеру інформаційного сигналу – цифрова модуляція. Модуляція (на передавальній стороні системи) та демодудяція (на приймальній стороні) займають особливе місце серед багатьох функціональних вузлів безпровідних систем та мереж. Якщо деякі компоненти системи, наприклад канальне кодування, можуть використовуватись лише при певній необхідності, то застосування модуляції являється обов’язковою компонентою радіосистем [42].

Але вплив модуляції на систему полягає не лише в перенесенні спектру інформаційного сигналу у виділений для каналу зв'язку частотний діапазон, а являється багато ширшим. В іншому випадку всі системи могли б використовувати один вид модуляції і проблема підвищення ефективності системи шляхом вибору виду модуляції та режимів її функціонування відпала би сама собою. Реально ситуація являється зовсім протилежною, тому використовуються десятки видів цифрової модуляції. Більше того, вплив процесів модуляції/демодуляції на характеристики систем безпровідного зв'язку в цілому являться визначальним [ 12, 18 ].

Характеристики процесів модуляції/демодуляції формуються, як на передавальній так і приймальній строні. Якщо спектральний склад модульованого сигналу, в основному, визначається вибраним на передавальній стороні видом модуляції, то значення BER залежить як від вибраного виду модуляції, так і від методів (когерентне, некогерентне приймання і т.д.) побудови демодулятора в приймальному пристрої [26].

В розділі 1 вказано, що однією з проблем синтезу ефективних систем являється можливість багатоваріантної реалізації. На рис. 2.1. приведені дані про основні види модуляцій, які підтвержують дану тезу

Рис.2.1. Основні види цифрової модуляції

В даному розділі розглядаються лише вузькосмугові види модуляцій, які також містять багато різних варіантів.

В процесі здійснення модуляції наявні дві складові (вхідна інформація та несуче коливання) на базі яких формується модульований сигнал. Розглянемо детальніше складові, які формують модульований сигнал:

1. Вхідна інформація. Вона представляє собою послідовність бітів (нулів та одиниць), причому тривалість кожного становить T_b. В результаті наявний потік вхідної інформації з швидкістю R_b=1/T_b. Але вхідна інформація не являється електричним сигналом, тому (рис.2.2,а) вона не може бути представленою у виді А(t), тобто часової залежності амплітуди напруги або струму і не може здійснювати модуляцію несучого коливання

робоча область

а) б) в)

Рис.2.2. Складові модульованого сигналу та вимоги до його показників: (а) –вхідна інформація; (б)- несуче коливання; (в) – вимоги до модульованого сигналу

Вхідну інформацію спочатку необхідно перетворити в електричний сигнал, тобто здійснити кодування вхідної інформації. В результаті кодування формуються електричні імпульси прямокутньої, трикутньої форм, у вигляді відрізків гармонічного коливання і т.д. Отриманий кодований сигнал в подальшому може використовуватись вже як модульований сигнал, який безпосередньо здійснює модуляцію несучого коливання

2. Несуче коливання. Воно, як правило, являється гармонічним коливанням виду Acos(ωt+φ). Модулюючий сигнал моде діяти як окремо на амплітуду, частоту та фазу несучого коливання, так і одночасно на амплітуду і фазу несучого коливання. В результаті отримуємо ASK, FSK, PSK, QAM модуляції, відповідно. Якщо кожен біт вхідної інформації змінює параметри несучого коливання, то отримуємо бінарні модуляції (BASK, BFSK, BPSK). Але крім бінарних модуляцій використовуються таком М-рівневі модуляції. При цьому декілька вхідних бітів об’єднуються в символи. У випадку об’єднання k-бітів отримуємо М=2^k різних символів та відповідно МASK, МFSK, МPSK та МQAM модуляції.

3. Вимоги до модульованого сигналу. Модульований сигнал повинен відповідати ряду вимог: P_b≤(P_b)_ном та R/B≤(R/B)_ном, тобто знаходитись в межах робочої області (рис.2.2,в).

Основні характеристики модуляції (рис.2.3) можна розділити на три види

Рис.2.3. Основні характеристики модуляцій

Якщо часові характеристики (осцилограми) носять в основному пізнавальний характер, то характеристики енергетичної та частотної ефективностей модуляції суттєво впливають на показники системи в цілому.

В розділі 1.2 показано, що максимальне значення частотної ефективності системи передавання відеосигналу (R/B)_мах=2. Але при застосуванні модуляції даний показник в більшості випадків значно погіршується. Справа в тому, що модульований сигнал S_M представляє собою перемноження двох складових – модуляційного сигналу та несучого коливання:

S_M=S_mS_c = S_m А_с cos( ω_c t+φ _c), (2.1)

де S_m - модулюючий сигнал; A_c, ω_c ,φ _c – амплітуда, частота та фаза несучого коливання, відповідно.

Відомо [2], що у випадку застосування модулюючого сигналу у виді полярного NRZ сигналу ширина смуги частот модульованого сигналу становить 2f_m (f_m – верхня частота модулюючого сигналу, який являється відеосигналом). В результаті для модульованого сигналу частотна ефективність зменшується, порівняно з частотною ефективністю модулюючого сигналу:

(E_f)_m = (2.2)

Саме на залежність (2.2) слід орієнтуватись при застосуванні модуляції, крім спеціально оговорених випадків.

Розглянемо частотну ефективність системи при використанні М-рівневої модуляції. В модуляторі в процесі об’єднання k-бітів в один символ формуються М-рівневі модуляції (M=2^k), причому в даному випадку тривалість символу збільшується, а швидкість передавання символів відповідно зменшується:

T_s=kT_b. (2.3,а)

(2.3,б)

Як видно із залежності (2.3,б), при використанні М-рівневої модуляції, згідно критерію Найквіста (1.4,а) можна ширину смуги частот також зменшити в k-разів. Але з даної залежності можна зробити інший, важливий для практики висновок: якщо ширину смуги частот в обох випадках залишити одинаковою (B=const), то швидкість передавання інформації при використанні М-рівневих модуляцій збільшується в k-разів. Варто зауважити, що при використанні МPSK або MASK модуляцій вищевикладені зауваження стосуються єдиного (спільного) каналу, в якому почергово передаються модульовані сигнали, то при використанні МFSK модуляції – дані зауваження стосуються одного з М паралельних каналів. При використанні М-рівневих модуляцій представляють інтерес наступні показники: кількість бітів в символі; ширина смуги частот кожного каналу; кількість каналів; загальна ширина смуги частот; швидкість передавання інформації. Основні співвідношення між згаданими показниками для різних видів модуляції приведені в табл. 2.1.

Отже при використанні М-рівневих модуляцій (та бінарної частотної модуляції) частотна ефективність системи змінюється порівняно з використанням бінарної амплітудної або фазової модуляції, а саме: у випадку BFSK модуляції погіршується в 2 рази, у випадку МFSK модуляції погіршується в k/M разів, а у випадку МРSK модуляції покращується в k разів

Таблиця 2.1.

Основні співвідношення для бінарних та М-рівневих модуляцій

№ п/п	М одуляція Параметр	BPSK BASK	BFSK	MPSK	MASK	MFSK
1	Кількість бітів в символі, ks	1	1	k=log2M	k=log2M	k=log2M
2	Ширина смуги частот кожного каналу, Bs1	B	B	В	В	В
3	Кількість каналів, Ns	1	2	1	1	М
4	Загальна ширина смуги частот, Bs	B	2В	В	В	М*В
5	Швидкість передавання інформації, Rs	Rb	Rb	k Rb	k Rb	k Rb
6	Відношення
7	Відношення* (Ef)ms= при	1		k	k

*Примітка. Згідно залежності (2.2) в більшості випадків можна вважати, що R_b/B=1