Материал: Физическая модель системы радиосвязи

Физическая модель системы радиосвязи

Реферат

Физическая модель системы радиосвязи

Содержание

1. Общие замечания

. Физическая модель системы связи

. Статистическая модель системы связи

Литература

. Общие замечания

С доисторических времен и вплоть до двадцатого века принципы световой сигнализации оставались почти неизменными. С изобретением лазеров (1960 г.) стали доступными необычные способы модуляции и приема светового излучения.

Сегодня оптические компоненты систем связи разработаны до такой стадии, что лазерные системы становятся практически целесообразными не только в ряде областей, но даже по своим качествам превосходят системы радиодиапазона. Преимуществами лазерных систем являются высокая потенциальная информационная емкость и огромное усиление антенн.

Оптические системы связи работаютв диапазоне частот от 1013 до 1015 Гц, где полоса частот модулирующего сигнала в 1012 Гц будет занимать всего лишь около 0,1% используемого спектра. Однако имеются и трудности, связанные с конструированием оптических модуляторов и приемников, рассчитанных на пропускание такой широкой полосы частот.

При данном размере апертуры антенны передатчика угловая расходимость луча передатчика обратно пропорциональна частоте несущей, а пространственная плотность мощности на приемной стороне пропорциональна квадрату частоты. Поэтому, имеются потенциальные преимущества при работе на высокой несущей частоте. Например, пространственная плотность мощности на приемной стороне в миллион раз больше для оптической связной системы, имеющей диаметр антенны 10 см и работающей на частоте 1014 Гц, по сравнению с радиосистемой, имеющей диаметр 10 м и работающей на частоте 109 Гц и расходимость луча оптического передатчика составляет около 30 мкрад. Сверхузкие диаграммы направленности лазерных систем являются не только достоинством, но и налагают очень жесткие требования на системы нацеливания и сопровождения.

Широкие информационные полосы пропускания и сверхузкие лучи передатчиков лазерных систем, по сравнению с радиотехническими связными системами, есть следствие высокого значения частоты оптического колебания. Спектральная ширина линии лазерного излучения (ЛИ) составляет около 0,1×10-8 м и менее. Большинство других источников некогерентного излучения имеют частотный спектр еще более широкий, но чем уже ширина линии оптического излучения, тем проще уменьшить влияние фонового излучения.

Свойство когерентности оптической волны состоит в том, что волна находится в фазе «сама с собой» по истечении некоторого временного интервала (временная когерентность) и в фазе по времени в точках пространства (пространственная когерентность). Временная и пространственная когерентность оптической волны позволяют осуществить фотосмещение в оптическом гетеродинном или гомодинном приемнике, а также сформировать ЛИ минимальной расходимости, определяемой дифракционным пределом. Изучение лазерных систем связи удобно начинать с рассмотрения физической и статистической моделей системы. Такие модели позволят сформулировать принципы, применения аналитических методов для проектирования систем связи; кроме того, с помощью моделей обнаруживаются физические и функциональные операций, которые осуществляются внутри системы.

. Физическая модель системы связи

На рис. 1 приведена простейшая физическая модель системы передачи информации. Исходный информационный сигнал (Ui(t)) 5 в кодирующем устройстве 4 преобразуется в вид, удобный для модуляции, затем поступает в подмодулятор-усилитель 3 и далее - в цепь возбуждения модулятора 2.

антенна оптический модулятор приемник

Рис. 1

С помощью внешнего или внутреннего модулятора осуществляется модуляция ЛИ 1 по амплитуде, интенсивности, частоте, фазе или поляризации. Модулированное ЛИ 12 коллимируется (делается параллельным) оптической антенной 6 передатчика. С помощью оптической приемной антенны 7 сигнал фокусируется на оптический приемник 8. Выходным сигналом оптического приемника является электрический сигнал 13, поэтому последующие электрические цепи образуют радиоприемник 9, где осуществляются операции по выделению 10 информационного сигнала 1 В гетеродинной системе связи и в системе связи на поднесущей частоте в радиоприемнике должно осуществляться также частотное преобразование или «перенос» сигнала в низкочастотную область.

Связь между переданной и принятой энергией сигнала описывается уравнением дальности действия системы связи, которое характеризует распространение излучения в канале связи, потери за счет естественного расхождения ЛИ в свободном космическом пространстве и ослабление сигнала при прохождении в отдельных трактах и компонентах (составных элементах) системы связи.

Потери энергии несущей в модуляторе и оптической антенне передатчика характеризуются коэффициентом передачи передающей системы:

tt = PA/PL                                                                                      (1)

где РL - мощность ЛИ и PA - мощность на выходе передающей системы. Такое определение, коэффициента характеризует любые потери энергии луча в модуляторе или в антенне передатчика.

Рис. 2

На рис. 2 приведена типовая конфигурация оптической антенной системы передатчика, которая формирует в пространстве коллимированный луч кругового сечения. Вследствие явления дифракции расхождение луча в дальней зоне обратно пропорционально диаметру апертуры оптической антенны передатчика. На больших расстояниях от передатчика диаметр сечения коллимированного луча пренебрежимо мал по сравнению с размером сечения дифрагированного луча. При равномерном освещении круговой апертуры интенсивность на единицу телесного угла, в направлении на точку Р, в плоскости приемника (рис. 3) выражается через функцию Бесселя первого порядка J1[×], т. е

(Р) = [2J1(pdTa/lc)/(pdTa/lc)]2Q(0),                                           (2)

где dТ - диаметр апертуры передатчика; lс - длина волны ЛИ; a - половинный угол между линией, соединяющей центр апертуры передатчика с точкой Р и оптической осью; Q(0) = pd2TPA/4l2c - интенсивность в центре дифракционной картины на единицу телесного угла.

Рис. 3

На рис. 4 показано относительное распределение интенсивности в дифракционной картине на круговой апертуре.

Рис. 4

Мощность ЛИ, рассчитываемая в плоскости приемника, находится пространственным интегрированием, но кроме того, для учета потерь в атмосфере полученное выражение необходимо умножить на коэффициент передачи атмосферы ta. При этом получим

                                               (3)

Интегралы, входящие в выражение (3), выражаются через функцию Бесселя и при этом

                                              (4)

Распределение части полной передаваемой энергии, содержащейся в дифракционной картине, в зависимости от расстояния от центра построено на рис. 5 и соответствует функции . Если приемная оптическая антенна с диаметром dR расположена на расстоянии R от передатчика и направлена по оптической оси, то дифракционный угол равен a¢ » dR/2R. При большом R плотность мощности в плоскости приемника практически постоянна и равна максимальному значению Q(0) по апертуре приемника, а максимальное значение принимаемой мощности равно

                                        (5)

Этот результат является, несколько завышенным, так как ошибка нацеливания передающей и приемной антенн приводит к отклонению от пика дифракционной картины.

Рис. 5

Нижнюю границу величины принимаемой мощности можно найти, определив (см. рис. 6) фиктивную ширину луча передатчика в виде углового диаметра qТ = 2a в точках половинной мощности поля в дальней зоне (из рис.6, следует, что их геометрических соотношений в канале связи имеем: площадь сечения луча в плоскости приемника = 0,25[p(qТR)2], а площадь антенны приемника = 0,25(pd2R)).

Рис. 6.

Приняв Q(Р) = 0,5Q(0), найдем численным методом аргумент бесселевой функции

,5pdTqТ/lc = 1,62                                                                          (6)

и угловую ширину луча передатчика

qТ = 1,03lС/dT » lC/dT .                                                             (7)

Отметим, что ширина луча передатчика много меньше, чем угловое расстояние между первыми нулями дифракционной картины, равное 2,44lс/dT (так называемый угловой размер диска Айри). Такое определение ширины луча целесообразно использовать лишь, если вероятность того, что угловая ошибка нацеливания более qТ/2 пренебрежимо мала. Если распределение вероятностей угловой ошибки нацеливания является гауссовским с дисперсией s2e, то выбор 6se, £ qТ гарантирует, что e > qТ/2 с вероятностью, меньшей 0,0

Если приемная антенна облучается дифракционной картиной на кромке ширины луча передатчика, где интенсивность излучения равна половине ее значения в центре дифракционной картины, то принимаемая мощность равна приближенно

                                       (8)

Реально приемник принимает излучение в некоторой точке, расположенной между центром дифракционной картины и окружностью, задаваемой углом qТ. Среднее значение принятой мощности (в предположении равномерного распределения вероятностей углов нацеливания e) можно получить, считая, что пространственная плотность мощности в пределах ширины луча передатчика (qТ) постоянна и равна среднему значению между точками половинной интенсивности дифракционной картины в дальней зоне.

Из уравнения (4) следует, что для a¢ = 0,5qТ = 0,5lc/dT относительная часть полной мощности РА в конусе, определяемом углом qТ, равна

[1 - (0,5p) - (0,5p)] = 0,455.                                                    (9)

Из рис. 6 следует, что мощность полезного сигнала в приемнике равна площади оптической приемной антенны, умноженной на пространственную плотность мощности в плоскости расположения приемника, т.е.

                           (10)

Формула (10) соответствует более жестким условиям, поскольку распределения угловых ошибок нацеливания имеют преимущественно гауссовский закон, а не равномерный (как было принято в начале). При проектировании лазерных систем связи принимаемая мощность находится с некоторым запасом по уравнению (8). Однако считается, что действительное значение принимаемой мощности будет на 70-100% больше полученной цифры, а последнее обстоятельство смягчает жесткость условий проектирования и дает некоторый запас по мощности.

Применяются в основном два типа приемных антенн (рис. 7), фокусирующие и коллимирующие.

Фокусирующая антенна собирает принятую энергию сигнала в точку на поверхности фотодетектора, коллимирующая - формирует параллельный пучок, сечение которого несколько меньше поверхности фотодетектора.

В антенне фокусирующего типа фотодетектор с диаметром dP устанавливается в фокальной точке линзы и поле зрения определяется выражением

qR = (dP - dD)/F ,                                                                                    (11)

где F - фокусное расстояние линзы; dD - диаметр падающего луча в фокусе.

Если приемная антенна проектируется для работы на дифракционном пределе, то размер сфокусированного пятна (согласно определению диска Айри) равен

 = 2,44Flc/dR .                                                                    (12)

Если размер дифракционного пятна значительно меньше диаметра чувствительной поверхности фотодетектора, то

qR = 2,44dP /(dDdR ).                                                                    (13)

Поле зрения приемника с антенной коллимирующего типа qR связано с полем зрения конструкции фотодетектора q¢R соотношением

qR = q¢R(F2/F1).                                                                            (14)

а

б

Рис. 7

В приемной антенне происходят потери полезного сигнала и если их характеризовать коэффициентом передачи приемника t (учитывающим ослабление и рассеяние в антенне), то полная мощность сигнала на поверхности детектора будет равна

Рс = trРR .                                                                                      (15)

С учетом сказанного выше, можно записать формулу, связывающую мощность сигнала на входе фотодетектора, мощность лазерного передатчика и дальность действия системы связи, в виде

                                                             (16)

. Статистическая модель системы связи

На рис. 8 приведена обобщенная статистическая модель системы связи, в которой предполагается, что источник информации 1 генерирует последовательность дискретных символов (выбираемых из конечного ансамбля таких символов), аналоговые сигналы предварительно преобразуются в дискретную форму (квантованием по времени и уровню). Эти информационные сигналы затем упорядочиваются соответствующую последовательность с использованием комбинированных операций кодирования и модуляции 2 и управляют генератором 3, который излучает их в канал передачи информации 4.

Рис. 8

Мультипликативные возмущения 5 (ослабление и случайные фазовые задержки) искажают сигнал при прохождении в канале. На выходе канала в приемном устройстве сигналы выделяются (фотодетектором 6, который обладает собственными внутренними шумами 7 и находится под воздействием фонового излучения 8) и декодируются 9, формируя сигнал для потребителя информации 10. Фоновое излучение 8 (обусловленное отраженным солнечным светом, излучением звезд, планет и других источников), является внешним шумом, который комбинируется в детекторе с внутренним шумом процесса фотогенерации носителей.

Эффективность аналоговых систем передачи информации характеризуется степенью отклонения принятого сигнала от исходного передаваемого и количественно определяется среднеквадратичеcкой ошибкой, максимальной ошибкой (или другим критерием). Квантованные во времени импульсные и цифровые системы связи характеризуются вероятностью ошибочного приема информационного «отсчета» или двоичного знака. Для определения меры качества приема необходимо определенным образом характеризовать процесс оптического детектирования, в частности, найти распределение вероятностей значений сигнала на выходе фотодетектора. Но прежде чем рассматривать статистический характер фотоприема, следует обсудить концепцию когерентности световых волн. Когерентность можно характеризовать мерой способности волнового колебания интерферировать самим с собой или с другим волновым колебанием.