Радиотехнические системы (РТС)

Радио Попова
Опыты Герца

Не все источники радиоволн являются радиотехническими системами или ее частью

Классификация РТС
По назначению РТС подразделяются на:
РТС передачи информации (РТСПИ); РТС извлечения информации (радиолокация, радионавигация);
РТС разрушения информации.
По виду применяемых сигналов радиосистемы различают:
- непрерывные;
- импульсные;
цифровые.
По используемым частотам (частотному диапазону).
Использование того или иного диапазона радиочастот для систем различного назначения регламентировано Международной комиссией распределения радиочастот (МКРР), так же как и ширина спектра частот.

Структура радиотехнической системы

Информация и Сигнал
Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приёма, обработки, преобразования, хранения.
К.Э. Шеннон – основатель теории информации образно её определил так: «Информация – послание, которое уменьшает неопределённость».
Сигнал – это некоторый физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Пример – электрический сигнал, радиосигнал как частный случай электромагнитного сигнала, акустический сигнал, оптический и т.д. Сигнал − это материальный носитель информации.
Обычно сигнал, независимо от его физической природы, представляют как некоторую функцию времени x(t). Такое представление есть общепринятая математическая абстракция физического сигнала.

Типы сигналов
Детерминированный, или регулярный − это сигнал, закон изменения которого известен и известны все его параметры.
Квазидетерминированный − это сигнал, закон изменения которого известен, но один или несколько параметров является случайной величиной.
Пример: x(t)=Asin(wt+ϕ), где амплитуда А и ϕ − случайная величина.
Случайным называют сигнал, мгновенные значения которого не известны, а могут быть лишь предсказаны с некоторой вероятностью.
Кроме этого все сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми или импульсными).

Параметры сигналов
Энергия сигнала x(t) за интервал времени (-T/2, T/2):
Именно такая энергия выделяется в резисторе с сопротивлением 1 Ом, если на его зажимах действует напряжение x(t) [В] за время T.
Средняя мощность сигнала за время T:
Мгновенная мощность:

Параметры сигналов
Спектральная плотность энергии и мощности
Спектральная плотность сигнала характеризует распределение энергии или мощности сигнала по диапазону частот.
Спектральная плотность энергии определяется следующим образом:
где X(f) – Фурье-образ сигнала x(t).
Спектральная плотность мощности (СПМ) определяется через выражение:
СПМ имеет размерность мощности, делённой на частоту, то есть энергии:
Вт/Гц = Вт∙с = Дж

Памятка
Прямое и обратное преобразование Фурье
Функция X(f) называется Фурье-образом сигнала x(t). Она определена при положительных и отрицательных частотах.

Спектральная плотность мощности
Пример. Мощность какого сигнала больше?

Спектральная плотность реального сигнала, отображаемая на спектральном анализаторе

Канал связи
С сигналом в канале связи происходит:
Ослабление.
Задержка распространения ( ~3.3 мкс на 1 км).
Доплеровский сдвиг частоты.
Воздействие помех и шумов.
Замирания сигнала – флуктуационное изменение амплитуды и фазы сигнала во времени:
Быстрые замирания (интерференционное замирание) - накладывание собственных копий сигнала от переотражений с разными фазами.
Медленные замирания (затенение) – возникновение препятствий на пути следования радиоволны.
Межсимвольная интерференция.
Линейные искажения.
Чем более точная модель канала связи, тем больше параметров она учитывает.

Эффект Доплера
Изменение частоты, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения или движения наблюдателя (приёмника):
где fo – частота излучаемого сигнала; υ – скорость излучателя относительно приемника (м/с); c – скорость света, θ – угол между вектором скорости и прямой, соединяющей источник и приемник.
Доплеровское расширение спектра
f1
f2
f3
ΔF12 = ΔF23
f1
f2
f3
f
f
Неподвижные объекты
Подвижные объекты
ΔF12 < ΔF23
Для 100 км/ч и 100 МГц сдвиг
частоты составляет 9,25 Гц

Доплеровское рассеяние
Проявляется при наличии большого количества отражающих поверхностей, движущихся в разные стороны.
f1
f1
f
f
Исходный сигнал
Сигнал с доплеровским рассеянием
Передатчик
Приемник
Отражающая среда

Шумы и помехи
Наряду с радиоволнами, несущими полезную информацию, на приемное устройство РТС воздействуют и помехи различной природы.
К числу таковых относятся:
• собственные шумы приемника;
• атмосферный и космический шум;
• индустриальные помехи, связанные с эксплуатацией электроустановок различного назначения;
• межсистемные помехи, создаваемые посторонними радиосредствами;
• преднамеренные помехи, умышленно излучаемые объектами, противодействующими той или иной РТС.

Канал связи с белым шумом
Базовой моделью канала связи является канал с АБГШ (аддитивным белым гауссовским шумом):
n(t) – это случайная функция, значение которой в произвольный момент времени характеризуется гауссовой функцией плотностью вероятности:
- Среднее квадратическое отклонение

Канал связи с белым шумом
Свойства АБГШ:
Спектральная плотность мощности равномерна и бесконечна:
, Вт/Гц
Средняя мощность АБГШ бесконечна.
АБГШ абсолютно не коррелирован, т.е. любое мгновенное значение шума не связано с предыдущими.
СПМ АБГШ
f

Понятие «сигнал/шум»
На вход приемного устройства поступает смесь сигнала и шума. Мощность шума на входе демодулятора определяется полосой приемного фильтра.
Отношение мощности сигнала и мощности шума, попавшего в полосу фильтра, называется отношением сигнал/шум (SNR)
f
АЧХ фильтра
СПМ сигнала
Мощность шума, попавшая
в полосу фильтра

Ионосфера
Отражение от зданий
Прямая волна
Отраженные волны
Переотражения как источник интерференции и замираний (фединга)

Переотражения как источник интерференции и замираний (фединга)
Если отраженный сигнал запаздывает на время, равное половине периода несущего колебания, то сигналы складываются в противофазе и возникают замирания, т.е. уменьшение уровня сигнала.
Как правило, замирания меняются со временем, особенно если приемник или передатчик передвигаются.