Современные радиопередающие и радиоприемные устройства и тенденции развития аналоговых и цифровых систем передачи

Радиопередающие устройства используются в системах телевизионного и радиовещания, телекоммуникации, радиолокации, радионавигации. Современное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники позволило получить резкое увеличение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных показателей передающих устройств.

 Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности.

Радиопередатчики, в которых используются цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, позволили решить многие проблемы, не решаемые в принципе методами аналоговой схемотехники.

В области телекоммуникаций и вещания можно выделить основные непрерывно возрастающие требования к системам передачи информации:

- обеспечение помехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;

- повышение пропускной способности каналов;

- экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;

- улучшение качества сигналов и электромагнитной совместимости.

 В системах вещания основной задачей является повышение качества сигнала на приемной стороне, что очевидно, требует повышения объема передаваемой информации и, следовательно, перехода на цифровые стандарты вещания. 

Задача обеспечения стабильности рабочих частот радиопередатчиков, а, значит и параметров передаваемых сигналов, требует цифровых методов формирования сигналов радиопередающих устройств, а также встроенных средств программного управления режимами работы каскадов, цифровых систем контроля параметров, авторегулирования и защиты от аварийных ситуаций.

 Такие функции в передатчиках осуществляют специализированные микроконтроллеры, иногда совмещающие функции цифрового формирования передаваемых сигналов.

Очевидно, что появление и развитие цифровых радиопередающих устройств явилось неизбежным и необходимым этапом истории радиотехники и телекоммуникаций, позволив решить многие насущные задачи, недоступные аналоговой схемотехнике.

     Современные цифровые радиопередатчики используют аналогово-цифровые методы синтеза частот и модуляции ВЧ сигналов, а также полностью цифровые методы формирования ВЧ сигналов, в частности, методы прямого цифрового синтеза частот и формирования модулированных сигналов.

При этом также имеется необходимость в аналоговых каскадах (процессы модуляции, фильтрации, усиления) при переносе спектра сформированного цифровым способом сигнала ( цифрового пакета ) в область СВЧ.

Основные области применения цифровых технологий формирования и обработки сигналов в радиопередающих устройствах можно сформулировать, как:

1.Преобразование передаваемых сообщений (входных аналоговых сигналов) в цифровые и формирование передаваемых цифровых потоков (кодирование, шифрование, формирование пакетов и групповых сигналов в соответствии с видом сигнала и конкретным стандартом цифрового кодирования, которые далее могут передаваться, в зависимости от назначения передатчика, с использованием цифровых или аналоговых видов модуляции.

2. Цифровые методы модуляции ВЧ сигналов и в перспективе использование универсальных цифровых квадратурных модуляторов, пригодные для формирования произвольных видов модуляции.

3. Синтез частот и управление частотой, которые также часто совмещены с процессом модуляции

4. Цифровые системы автоматического регулирования и управления передатчиками, индикации и контроля, в том числе сопряжения передатчика с компьютером, пользовательского интерфейса и цифрового дистанционного управления.

В современных радиоприемных устройствах важной особенностью является осуществление не только приема (в узком смысле), но и обработка сигналов с целью наилучшего извлечения информации. Особенно это касается радиоприемных устройств работающих с сигналами современных систем связи.

С развитием цифровых технологий все большее внимание уделяется построению радиоприемных трактов с применением цифровой обработки сигналов(ЦОС), называемых в литературе SDR — software defined radio. Эта технология основывается на возможности оцифровки принимаемого радиосигнала в реальном времени и последующей обработке программными или аппаратными цифровыми средствами — цифровыми сигнальными процессорами, ПЛИС и т.д.

Технология SDR позволяет осуществлять прием и демодуляцию сигналов, в которых используются цифровые виды модуляции, такие как DPSK, QAM, GMSK и т.д. В зависимости от частоты и ширины спектра принимаемого сигнала цифровая обработка в приемнике может использоваться как после переноса сигнала на фиксированную промежуточную частоту — обработка по ПЧ, так и по радиочастоте.

Радиоприемники с цифровой обработкой сигнала по ПЧ относятся к супергетеродинному типу и имеют ряд преимуществ перед приемниками прямого преобразования — возможность работы в большом диапазоне частот, хорошая селективность и чувствительность во всём диапазоне [1]. Приемники такого типа используются в профессиональной связной аппаратуре, к которой предъявляются жесткие технические требования. В числе недостатков цифровых супергетеродинных приемников — относительно высокое энергопотребление и большие размеры из-за использования аналоговых элементов.

 При цифровой обработке сигнала по ПЧ для высокочастотных сигналов используется полосовая дискретизация (under sampling), которая позволяет обойти ограничение, накладываемое теоремой Котельникова для обработки узкополосных сигналов, у которых ширина спектра много меньше абсолютного значения центральной частоты. Этому условию соответствуют практически все радиосигналы. В этом случае теорема Котельникова звучит следующим образом: для сохранения информации о сигнале частота его дискретизации должна быть равной или большей, чем удвоенная ширина его полосы [4].

        Общую структурную схему современных системсвязи, ТВ и передачи данных можно представить в виде (рис.15.10.). Практически во всех современных системах связи используются методы цифровой модуляции и цифровая обработка сигналов при демодуляции.

Рис.15.10 Структурная схема цифровой системы связи

    На выходе источника может быть аналоговый сигнал ( звуковой или видеосигнал), или цифровой сигнал. Далее сообщения, выданные источником, преобразуются в последовательность двоичных символов. При этом стоит задача эффективного преобразования выходного сигнала источника - как аналогового, так и цифрового - в последовательность двоичных символов ( преобразования с наименьшей избыточностью).   Этот процесс называют кодированием источника, при котором также происходит сжатие данных.

Последовательность двоичных символов от кодера источника поступает на кодер канала, который вводит избыточность в информационную двоичную последовательность, тем самым производит помехоустойчивое кодирование, позволяющее повысить увеличения надёжности принятых на приемной стороне данных и улучшает верность воспроизведения принятого сигнала. Фактически избыточность в информационной последовательности помогает приёмнику в декодировании переданной информационной последовательности.

Двоичная последовательность на выходе кодера канала поступает на цифровой модулятор, основная цель которого сводится к отображению информационной двоичной последовательности в соответствующий сигнал.

Канал связи – это физическая среда, которая используется для передачи сигнала от передатчика к приёмнику. При беспроволочной связи каналом может быть атмосфера (свободное пространство). С другой стороны, телефонные каналы обычно используют ряд физических сред, включая линии проводной связи, волоконно-оптические кабели и беспроволочные линии (например, микроволновую радиолинию).

Средняя вероятность ошибки на бит для выходных символов декодера является удобной характеристикой качества демодулятора-декодера. В общем случае, вероятность ошибки является функцией от характеристик кода, форм сигналов, используемых для передачи информации по каналу, мощности передатчика, характеристик канала, а именно уровня шума, природы интерференции и т.д., и методов демодуляции и декодирования.

На заключительной стадии, когда восстанавливается аналоговый выходной сигнал, декодер источника принимает выходную последовательность от декодера канала и, используя знание метода кодирования источника, применённого на передаче, восстанавливает исходную форму сигнала источника. Ошибки декодирования и возможные искажения в кодере и декодере источника приводят к тому, что сигнал на выходе декодера источника является приближенной копией исходного сигнала источника. Разность или некоторая функция разности между исходным и восстановленным сигналом является мерой искажения, внесённого цифровой системой связи.