Comunicarea Electronica Prezentare Generala

CAPITOLUL 1

Tehnici de transmisie a informației folosind mmodulația impulsurilor în poziție

1.1 Introducere

Comunicarea a fost percepută ca element esențial al existenței umane încă din antichitate, esența ei fiind schimbul de informații. De la începuturile civilizației umane a existat un efort fără sfȃrșit în a se găsi căi și mijloace pentru schimburile de gȃnduri , idei și mesaje. Limba a fost primul mijloc de comunicare , care a fost îmbogățit treptat pentru a face modul de comunicare mai eficient. Script-urile s-au dezvoltat treptat, acest lucru făcȃnd posibil schimbul de mesaje scrise sau informație documentată , care nu au putut fi transmise numai in locuri îndepartate, dar au putut fi de asemenea , transmise din generatie în generatie și pastrată pentru posteritate.

Transmiterea mesajelor a evoluat enorm de la primele zile de interacțiune umană prin diverse moduri. Eforturile neobosite în a găsi căile si mijloacele de transmitere a informațiilor în mod eficient s-au maturizat treptat în mai multe tehnici de comunicare testate în timp. Din păcate toate modurile primitive de comunicare au fost de natură restrictivă. Ele au fost ineficiente în ceea ce priveste viteza si gama de comunicare vizată.

Principala descoperire a venit in secolul al XIX-lea, cu descoperirea energiei electrice , atunci cȃnd mesajele au fost convertite în semnale electrice prin mijloace electrice. Nu a fost o îmbunatațire fără precedent a vitezei de transmisie si distanțe mari au fost acoperite în timp foarte scurt. Odată cu inventarea telegrafului de către Morse in 1844 , mesajele au început să fie transmise prin cabluri. Mesajele au fost codate prin puncte și linii și transmise pe cabluri ca impulsuri electrice de diferite durate. Cablurile de telegraf transatlantic au fost folosite cu success in 1866. A.G. Bell a inventat reteaua de telefonie in 1876, aproape 40 de ani de la inventarea telegrafului. Mai târziu, odată cu descoperirea propagării undei radio de către J.Chandra Bose, urmat apoi de, demonstrarea telegrafiei wireless realizată de Marconi în 1985, spectrul radio a început sa fie utilizat pentru transportul de mesaje sau semnale.Mesajul era in forma unui semnal electronic, care era transmis ori prin cabluri, ori sub forma de unde electromagmetice. Astfel a început era comunicațiilor electronice.

Elementul comun al celor mai multe dintre actualele sisteme de transmisiune este electrocomunicația.

Datele importante in istoria comunicațiilor:

1799 când Volta a descoperit pila electrică.

1837 Morse descoperă alfabetul care-i poartă numele

1844 se realizează prima linie pentru transmisiuni telegrafice.

Peste cca. 2 ani, în 1856 se începe instalarea primului cablu transoceanic.

Prima perfecționare remarcabilă a acestor sisteme este adusă în 1875 când Baudot concepe codul cu cinci impulsuri.

Transmisiunile telegrafice sunt simple, destul de fiabile dar informația transmisă este ‘săracă’ deci transmiterea sunetelor.

Primele încercări: 1870 de către Graham Bell.

Patent și înființează întreprinderea Bell Telephone -1877.

Perfecționarea sistemelor de transmitere telefonică (ca și a altor sisteme de comunicație) – dezvoltarea electronicii.

Descoperirea triodei de către Lee de Forest (1906)

Prima transmisiune telefonică peste ocean (1915).

1960 când firma Bell Telephone introduce comutarea automată.

Comunicațiile fără fir (radio) s-au dezvoltat în paralel cu comunicațiile pe fir (ghidate).

Bazele lor:

1820 Oersted – posibilitatea creării unui câmp magnetic în apropierea unor conductoare prin care circulă curent;

1831 Faraday – inducția electromagnetică.

Nașterea teoriei comunicațiilor radio: 1864 – Maxwell descoperă (teoretic) undele electromagnetice.

Experimental peste circa 20 ani – 1887 – Hertz.

1891 – Marconi – prima transmisiune radio.

În continuare cele două sisteme evoluează în paralel, interferând permanent.

Din anii 1920 paralel cu telefonia pe fir se dezvoltă și radiotelefonia de utilitate publică.

În prezent sistemele de comunicații înglobează în egală măsură rețele fixe și mobile.

Sistemul global de comunicații devine tot mai complex; din 1962 se adaugă o nouă componentă: comunicațiile prin sateliți.

1.1.1 Comunicarea electronică –Prezentare generală

În comunicarea electronică , ca mesajul să fie transmis trebuie convertit într-un semnal electric de către un dispozitiv electric numit traductor. Aceste mesaje pot provenii din diferite forme fizice. De exemplu , mesajul poate fi un semnal vocal , care generează vibrații mecanice ale coloanei de aer. Unele informații pot conține date referitoare la variatiile de temperatură sau presiune. Adesea mesajul poate fi vizual în natură. Variațiile tuturor acestor parametrii fizici pot fi cartografiați ca variațiile electrice. Astfel , în comunicarea electronică , un mesaj de orice origine poate fi convertit în echivalentul său electric și transmis de la sursă la destinație , fie prin mijloace electrice folosind legături fizice , fie ca unde electromagnetice propagate în spațiu. Toate semnalele fizice sunt continue în natură și sunt clasificate ca analogice. Ele variază continuu in timp. Semnalul vocal prin cablu telefonic este un exemplu de semnal analogic.

Semnalele digitale, in schimb , sunt discrete în timp și pot avea posibile numai două niveluri de tensiune sau curent. Exemple sunt datele care provin de la calculatoarele digitale, care sunt strict de natura digitală.

1.2. Semnale analogice și semnale numerice

Se numește semnal o mărime fizică măsurabilă, purtătoare de informație , care poate fi transmisă la distanță, recepționată și/sau prelucrată. Lumea înconjurătoare abundă în exemple de semnale. Omul este creatorul unui număr foarte mare de semnale de regulă de natură electrică. Cu toate acestea există foarte multe surse de semnale neelectrice (biologice, acustice, mecanice). În general acestea sunt posibil de modelat prin semnale electrice (tensiune sau curent).

Prin semnal analogic se înțelege o mărime fizică de regulă electrică ce poate fi reprezentată printr-o funcție de timp care poate lua valori într-un domeniu de variație bine precizat :

în care T este mulțimea momentelor de timp, M este mulțimea eșantioanelor semnalului, x este descrierea semnalului ce asociază fiecărui element t T un element xM bine definit, numit eșantionul semnalului x la momentul de timp t. Daca T Z orice semnal definit pe T se numește discret iar dacă T R semnalul se numește continuu.

Dacă M R semnalele au valori reale și se spune despre aceste semnale că sunt analogice putând reprezenta măsuri ale mărimilor din lumea înconjurătoare.

Daca M Q și este numărabilă, semnalul este cuantizat și este posibilă reprezentarea sa numerică (codificarea sa) .

Din punct de vedere al posibilității de cunoaștere a evoluției lor în timp, semnalele pot fi :

– deterministe ce au valori bine precizate și eventual descrise de legi de variație cunoscute

– aleatoare ce au valori ce pot fi măsurate cu o anumită probabilitate. În această categorie se includ zgomotele.

Exemple de semnale:

semnale continue

semnale discrete

semnale cuantizate

Un semnal discret și cuantizat se numește semnal numeric (digital) și poate fi prelucrat prin metode numerice. Transformarea semnalelor analogice în semnale numerice se face prin eșantionare și cuantizare, operații ce formează digitizarea. Procesul este ireversibil în sensul că prin aceste operații se pierde o parte din informația purtată de semnalul analogic inițial. Dacă această pierdere este acceptabilă, se poate apela la metodele numerice de prelucrare a semnalelor, putânduse reconstrui parțial un semnal numeric prin netezire (interpolare, filtrare). Pentru semnalele discrete se pot folosi notațiile sau , k Z deoarece t0 este constant.

Prin utilizarea procesului de eșantonare , un semnal analogic este convertit într-o secvență corespunzătoare de eșantionare care este de obicei distribuită uniform în timp. În mod evident , pentru ca o astfel de procedură să aibă utilitate practică , este necesar să alegem frecvența de eșantionare în mod corespunzător , astfel încȃt secvența de eșantinare să definească semnalul original.

Eșantionarea și cuantizarea stau la baza circuitelor de conversie a datelor (conversie analog – numerică).

Cele mai importante semnale utilizate în descrierea fenomenelor de conversie și prelucrare a semnalelor sunt :

Impulsul unitar :

Treaptă unitate:

Semnalul dreptunghiular neperiodic:

Semnal sinusoidal de perioadă N:

Spunem că un semnal discret este periodic cu perioada K dacă x (k) = x (k + K) pentru toate valorile lui k. Dacă un semnal este definit pentru un număr finit K de eșantioane, el se numește semnal de durată limitată, K reprezintă durata unui astfel de semnal.

1.3. Noțiuni generale privind modulația semnalelor. Tipuri de modulație

Prin modulație se înțelege transferarea proprietăților unui semnal, numit semnal de bază sau semnal modulator, către alt semnal, numit purtător. În urma acestui transfer rezultă semnalul modulat.

Necesitatea modulației în problema transmiterii informației se sprijină pe următoarele argument:

Modulația este necesară pentru a face posibilă transmiterea informației printr-un mediu de transmitere dat (aerul sau vidul, ghiduri de undă, fibre, etc.). De exemplu, semnalul vocal nu poate fi transmis direct prin unde hertziene. Semnalul purtător trebuie sa aibă capacitatea de a fi transmis prin mediul concret, dintr-o situație dată, făcând posibil transferul mesajului conținut în semnalul modulator.

Modulația este necesară pentru economisirea transmisiei. Pe un canal fizic realizat printr-un mediu dat, se poate realiza transmiterea simultană a mai multor semnale, fără a exista interferențe între acestea. Modulația oferă, în unele cazuri, o bună protecție la paraziți.

Se notează generic cu x(t) semnalul de bază. Semnalul purtător va fi notat cu

Semnalul purtător poate fi armonic (semnal cosinusoidal) sau tren de impulsuri . Prin urmare, există două tipuri de semnale modulate:

• semnale modulate pe purtător armonic;

• semnale obținute prin modulația impulsurilor.

În cazul primei categorii de semnale modulate, purtătorul are expresia:

Fig. 1.3 Semnal purtător sub forma unui tren de impulsuri

Proprietățile semnalului de bază pot fi transferate unuia din cei trei parametri ai lui : amplitudinea , frecvența și faza inițială .

Rezultă trei tipuri de modulație pe purtător armonic: modulația în amplitudine (MA), modulația în frecvență (MF) și modulația în fază (MP – Phase Modulation – în limba engleză).

În cazul modulației impulsurilor, parametrii care definesc un tren de impulsuri sunt amplitudinea A, perioada T (sau frecvența f=1/T) , faza inițială(dată de) și durata τ . (fig.1.3). Prin varierea fiecăruia din acești parametri se obțin respectiv modulația impulsurilor în amplitudine (MIA), în frecvență (MIF), în fază (MIP) și în durată (MID).

1.4. Noțiuni teoretice privind tehnicile de obținere a semnalelor modulate în poziție.

Modulația impulsurilor în poziție este un tip de modulație al cărui semnal purtător este reprezentat de o succesiune de impulsuri. În general în modulația impulsurilor în poziție, poziția fiecărui impuls în parte este variată în conformitate cu amplitudinea instantanee a semnalului modulat pe o perioadă de timp, în care amplitudinea și durata impulsului sunt păstrate constant.

Impulsuri periodice

t

t

MID

t

MIP

Fig 1.4 Obținerea impulsurilor modulate în poziție pe baza semnalelor modulate în durată.

După cum putem observa din figura de mai sus, impulsurile modulate în poziție sunt obținute din impulsuri modulate în durată.Fiecare final de impuls modulat în durată reprezintă un punct de început al impulsului modulat în poziție.De aceea poziția impulsului este 1:1 proporțională cu durata impulsului, prin urmare este proporțională cu amplitudinea instantanee a semnalului modulator eșantionat.

În cazul modulației impulsurilor în poziție sunt implicate următoarele semnale:

semnalul modulator notat cu ;

semnalul purtător ;

semnalul modulat în poziție (t);

Semnalul modulator comandă modificarea poziției pe axa în timp a poziției impulsurilor semnalului purtător (t), și se va considera că semnalul este sinusoidal.

Un semnal MIP are în mod uzual următoarea expresie:

(t)= [t+(t)];

unde (t) reprezintă deviația poziției impulsurilor.

Modulațiile în impulsuri de frecvență și de fază sunt tratate ca modulație a impulsurilor în poziție, în funcție de parametrul prin intermediul căruia se realizează modulația:faza inițială sau frecvența instantanee.

Modulația în poziție se face prin intermediul modulației de fază în cazul în care deviația poziției impulsurilor este egală cu produsul dintre semnalul modulator și constanta modulatorului de fază notată cu , și prin intermediul modulației de frecvență atunci când deviația poziției impulsurilor va avea următoarea expresie:

(t)=dt;

În cazul în care semnalul modulator este sinusoidal pentru modulația de fază respectiv pentru modulația de frecvență, deviația poziției impulsurilor devine:

=sin( t);

(n)=sin(n)=sin(n);

(n)=cos(n);

În cazul semnalului purtător, în modulația impulsurilor în poziție, forma de undă a acestuia este în mod general dreptunghiulară, însă pentru diverse aplicații acesta poate lua și alte forme.În figura următoare este prezentat un semnal purtător nemodulat , alcătuit dintr-o succesiune de impulsuri dreptunghiulare.

A

T

Fig. 1.5 Semnal purtător nemodulat, format dintr-o succesiune de impulsuri dreptunghiulare.

Pentru a determina poziția impulsului n pe axa timpului, în cazul unei succesiuni de impulsuri nemodulate, se utilizează expresia:

Unde reprezintă perioada de eșantionare, astfel momentele de timp la care impulsurile semnalului nemodulat apar la momentele 0, , , , …..

Pentru purtătoarea modulată, durata impulsurilor rămâne aceeași, dar momentele de apariție ale acestora se modifică în funcție de amplitudinea semnalului modulator de informație.Ținând cont de polaritatea semnalului modulator ce corespunde momentului de eșantionare, , momentul de apariție a impulsului purtător corespunzător este decalat înainte de , în cazul în care polaritatea semnalului este pozitivă, sau poate fi decalat după în cazul în care polaritatea semnalului este negativă.

1.4.1. Tipuri de modulație a impulsurilor în poziție

Ca și în cazul modulației impulsurilor în amplitudine, și modulația impulsurilor în poziție este de două tipuri:

Modulația impulsurilor în poziție de tip natural-MIP-N;

Modulația impulsurilor în poziție de tip uniform-MIP-U;

1.4.1.1. Modulația impulsurilor în poziție de tip natural

Considerăm un semnal purtător , care apare sub forma unui tren de impulsuri ce au amplitudinea, perioada si durata constante.Notăm amplitudinea cu , perioada cu T, și durata cu τ.Faza impulsurilor, adică întârzierea sau înaintarea acestora față de începutul perioadei se notează cu .

Faza semnalului MIP poate fi variabilă, in funcție de semnalul modulator, .Semanlul modulat în poziție cu faza variabilă în funcție de semnalul purtător are următoarea expresie:

În figura de mai jos sunt prezentate impulsuri cu valori diferite ale fazei, cȃnd faza este mai mică, egală sau mai mare decât 0.

Fig. 1.6 Impulsuri la diferite valori ale fazei

Pentru a nu se produce o trecere bruscă de la o valoare externă negativă la o valoare externă pozitivă a semnalului modulator variația maximă a fazei sau poziției trebuie să îndeplinească următoarea condiție:

Dacă această condiție este îndeplinită, se evită riscul unor interferențe sau suprapuneri ale semnalelor vecine.

Pentru un semnal modulat discret în frecvență relația între fază și frecvență se consideră a fi cunoscută, faza rezultă prin integrarea frecvenței:

Considerând un modulator pentru obținerea modulației în poziție pentru care semnalul modulator este un semnal sinusoidal cu pulsația vom obține următoarea relație pentru deviația de fază:

Modulatorul considerat este prezentat în figura următoare:

Fig. 1.7 Modulator pentru obținerea MIP.

Semnalul obținut la ieșirea modulatorului este prezentat în imaginea de mai jos:

Fig. 1.8 Modulația naturală a impulsurilor în poziție.

La acest tip de modulație, deplasarea de fază a impulsurilor este definită în raport cu mediana verticală a fiecărui impuls în parte de durată τ.Expresia ce definește semnalul MIP-N este:

Semnalului MIP-N va fi dezvoltat având ca scop deducerea caracteristicii spectrale ale acestui semnal.

Semnalul purtător va fi considerat ca fiind un tren de impulsuri cu amplitudine și durată constantă, având perioada T.Se va calcula seria Fourrier complexă pentru semnalul MIP-N care are următoarea expresie:

Înlocuind în prima relație parametrul , cu expresia de mai sus, atunci semnalul purtător considerat va fi exprimat astfel:

Se consideră că este obținut din expresia semnalului purtător , înlocuind pe t cu .Parametrii din seria Fourrier complexă a semnalului MIP-N se obțin din parametrii ai semnalului purtător :

Seria Fourier complexă a semnalului MIP-N este :

Expresia exponențialei va fi scrisă sub forma:

Se observă la cel de-al doilea exponent o funcție sinusoidală.Făcând apel la funcțiile lui Bessel de speța I se cunoaște că:

Adaptând relația de mai sus la cel de-al doilea factor din expresia exponențialei va rezulta:

Modelul semnalului MIP-N obținut este:

Semnalul MIP-N are un spectru discret, și conține o infinitate dublă de componente spectrale modulate în frecvență.Arminicile componentelor apar numai la pulsațiile unde, i= iar k=0,,…… .

Caracteristica spectrală a semnalului MIP-N este dată de expresia:

Dacă se face o comparație între semnalul MIA-N și semnalul MIP-N, se observă că pentru același semnal modulator sinusoidal, s-a constatat că în spectrul MIA-N, apar doar câte două componente laterale în jurul armonicelor purtătorului, pe cînd la MIP-N, există o infinitate de componente spectrale plasate în jurul fiecărei armonici a purtătorului.

1.4.1.2. Modulația impulsurilor în poziție de tip uniform-MIP-U

La modulația impulsurilor în poziție de tip uniform, deplasarea impulsurilor pe axa timpului se realizează în raport cu frontul anterior al fiecărui impuls.Un exemplu de circuit de generare al impulsurilor modulate în poziție de tip uniform este următorul:

Fig. 1.9 Circuit teoretic de generare a semnalului MIP-U

În figura de mai jos este prezentat semnalul MIP-U

Fig. 2 Modulația uniformă a impulsurilor în poziție

Semnalul de bază modulator , moduleză țn poziție o distribuție δ periodică, astfel rezultând un semnal MIP ale cărui impulsuri sunt de amplitudine infinită, durată 0 și arie unitară, adica distribuții delta.Semnalul ale cărui impulsuri sunt de amplitudine infinită, durată 0 și arie unitară este notat cu d(t).

Valoarea fazei care trebuie impusă impulsurilor δ,față de momentele impulsurilor iT este dată de relația:

Expresia în timp a semnalului MIP-U este următoare:

Semnalul purtător este generat pe baza semnalului:

Unde T reprezintă perioada semnalului purtător.La ieșirea din modulator se obține relația:

Spectrul semnalului la ieșirea din modulator este:

Se va folosi egalitatea:

Dacă înlocuim în relația spectrului atunci acesta va lua următoarea formă:

Spectrul semnalului d(t) conține o infinitate dublă de componente care au amplitudinile proporționale cu funcțiile Bessel.

Din relațiile de mai sus relația pentru spectrul semnalului la ieșirea modulatorului va avea forma:

În final spectrul semnalului este

Înlocuindu-se P(ω) în relația de mai sus va rezulta:

Spectrul semnalului MIP-U poate fi considerat limitat la valoarea 2π/T, datorită înmulțirii cu P()

Se observă că față de MIP-N, la care spectrul obținut era discret, în acest caz s-a obținut o caracteristică spectrală „continuă”.În cazul semnalelor MIP-U, apar distorsiuni ale spectrului datorate înmulțirii infinității de componente laterale localizate în jurul multiplilor întregi ai frecvenței fundamentale a semnalului purtător cu o funcție dependentă de ω.