Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи

В.Т. ПЕРШИН

ФОРМИРОВАНИЕ 
И ГЕНЕРИРОВАНИЕ 
СИГНАЛОВ В ЦИФРОВОЙ 
РАДИОСВЯЗИ

Рекомендовано
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению 210000 «Электронная техника,
радиотехника и связь» (квалификация (степень) «бакалавр»)

2013

 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.372.037.372(075.8)
ББК 32.841я73
 
П27

Першин, В.Т.
Формирование и генерирование сигналов в цифровой радиосвязи : учеб. пособие / В.Т. Першин. — Минск : Новое 
знание ; М. : ИНФРА-М, 2013. — 614 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-985-475-557-1 (Новое знание)
ISBN 978-5-16-006703-2 (ИНФРА-М)

Рассмотрены основные виды сигналов, усилители мощности и формирователи колебаний, основы теории автогенераторов, паразитные 
колебания и побочные излучения передатчиков. Описано формирование сигналов, структурные схемы передающих систем цифровой сотовой и транкинговой связи, систем беспроводного абонентского доступа, спутниковой и радиорелейной связи. К наиболее сложным в методическом отношении вопросам даны примеры расчетов.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям радиотехнического профиля.

УДК  621.372.037.372(075.8)
ББК  32.841я73

П27

 
© Першин В.Т., 2013
 
© ООО «Новое знание», 2013
ISBN 978-985-475-557-1 (Новое знание)
ISBN 978-5-16-006703-2 (ИНФРА-М)

Рецензенты:
главный научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории 
плазменной и лазерной технологий Белорусского национального технического университета, доктор технических наук, профессор О.Г. Девойно;
профессор кафедры электроники Минского государственного высшего радиотехнического колледжа, доктор технических наук Ф.Д. Троян

Оглавление

Предисловие..............................................................................................................................12

Список основных сокращений.............................................................................................15

Введение...................................................................................................................................19

Глава 1. Сигналы...................................................................................................................28
1.1..Классификация.сигналов...........................................................................................28
1.2..Детерминированные.сигналы...................................................................................32

1.2.1..Служебные.сигналы..........................................................................................32
1.2.2..Управляющие.сигналы.....................................................................................32
1.2.3..Немодулированные.(высокочастотные).колебания..............................33
1.2.4..Аналоговые.модулированные.сигналы......................................................33
1.2.5..Цифровые.манипулированные.сигналы....................................................34
1.2.6..Квантование.сигнала.по.уровню..................................................................35
1.2.7..Характеристики.вход-выход.квантователей.midrise.и.midtread.......37
1.2.8..Испытательные.сигналы..................................................................................43

1.3..Понятие.цифровой.последовательности...............................................................45
1.4..Случайные.сигналы......................................................................................................48

1.4.1..Основные.понятия.о.случайных.сигналах...............................................49
1.4.2..Стационарные.и.нестационарные.процессы............................................52
1.4.3..Ковариационная.и.корреляционная.функции........................................53
1.4.4..Гауссовские.случайные.процессы.................................................................54
1.4.5..Белый.шум............................................................................................................55
1.4.6..Окрашенный.шум...............................................................................................58

Глава 2. Амплитудно-модулированные сигналы.....................................................60
2.1..Аналитическое.выражение.для.тонального.АМ.колебания..........................60
2.2..Спектр.АМ.колебания.................................................................................................62
2.3..АМ.колебания.с.однополосной.модуляцией.......................................................63
2.4..АМ.колебания.без.несущей.......................................................................................64
2.5..АМ.колебания.с.частично.подавленной.боковой.полосой............................66
2.6..Мощность.и.эффективность.АМ.колебаний.......................................................67
2.7..Квадратурная.амплитудная.модуляция................................................................69
2.8..Ортогональная.модуляция.с.частотным.разделением....................................73
2.9..Кодированное.разделение.с.ортогональными.несущими...............................76

Глава 3. Сигналы с угловой модуляцией....................................................................77
3.1..Виды.угловой.модуляции...........................................................................................77
3.2..ФМ.колебания................................................................................................................78
3.3..ЧМ.колебания.................................................................................................................80

Оглавление
4

3.4..Спектр.сигнала.с.угловой.модуляцией.................................................................81

3.4.1..Спектр.сигнала.с.узкополосной.угловой.модуляцией.........................82
3.4.2..Спектр.сигнала.с.широкополосной.угловой.модуляцией..................83

3.5..Мощность.сигнала.с.угловой.модуляцией...........................................................88
3.6..Спектр.стереофонического.сигнала........................................................................89

3.6.1..Спектр.сигнала.с.полярной.модуляцией..................................................89
3.6.2..Спектр.сигнала.с.пилот-тоном......................................................................92

Глава 4. Усилители мощности высокочастотных колебаний.............................94
4.1..Общие.принципы.усиления.мощности.и.умножения.частоты.

высокочастотных.колебаний.....................................................................................94
4.1.1..Генератор.с.внешним.возбуждением.как.усилитель.мощности.

и.умножитель.частоты.радиоколебаний....................................................95

4.1.2..Структурная.схема.и.баланс.мощностей.в.ГВВ.....................................98
4.1.3..Основные.элементы.и.параметры.усилителя.мощности................. 101
4.1.4..Активные.элементы.в.усилителях.мощности....................................... 102
4.1.5..Способы.повышения.эффективности.работы.усилителя.

мощности............................................................................................................ 105

4.2..Характеристики.усилителей.мощности.и.методы.исследования.

режимов.работы.безынерционных.активных.элементов............................ 106
4.2.1..Общие.сведения.о.характеристиках.усилителей.мощности........... 106
4.2.2..Реализация.режима.работы.АЭ.в.усилителе.мощности.

с.гармоническим.выходным.напряжением.и.отсечкой.
выходного.тока................................................................................................. 109

4.2.3..Энергетические.параметры.АЭ.................................................................. 114
4.2.4..Динамическая.и.нагрузочная.характеристики.АЭ.

в.усилителе.мощности................................................................................... 115

4.2.5..Работа.ГВВ.на.комплексную.нагрузку................................................... 116
4.2.6..Порядок.расчета.ГВВ.с.безынерционным.АЭ...................................... 118

4.3..Усилители.мощности.с.инерционными.АЭ..Виды.обратных.связей...... 119

4.3.1..Особенности.работы.усилителя.мощности.на.повышенных.

частотах............................................................................................................... 120

4.3.2..Коррекция.частотных.характеристик.инерционных.АЭ.................. 121
4.3.3..АЧХ.резонансного.(избирательного).усилителя................................. 123
4.3.4..АЧХ.резонансного.(избирательного).усилителя................................. 126
4.3.5..Структурные.схемы.усилителей.с.обратной.связью......................... 127
4.3.6..Коэффициент.передачи.усилителя.c.обратной.связью.................... 128
4.3.7..Влияние.ООС.на.параметры.усилителя................................................ 129
4.3.8..Биполярный.и.полевой.транзисторы.в.усилителе.мощности........ 130
4.3.9..Анализ.работы.мощного.биполярного.транзистора........................... 131
4.3.10..Использование.ЭВМ.для.расчета.мощного.АЭ.в.усилителях.

мощности......................................................................................................... 132

4.4..Ключевые.режимы.работы.активных.элементов............................................ 133

4.4.1..Ключевые.режимы.с.выходным.током.и.напряжением.

в.форме.меандра.............................................................................................. 133

Оглавление
5

4.4.2..Расчет.ключевых.режимов.с.колебаниями.в.форме.меандра........ 138
4.4.3..Особенности.работы.типовых.схем.ключевых.усилителей.

мощности............................................................................................................ 139

4.5..Системы.питания,.смещения.и.согласования.в.усилителях.

мощности....................................................................................................................... 140
4.5.1..Цепи.питания.................................................................................................... 140
4.5.2..Схемы.включения.источников.смещения.в.транзисторном.

усилителе.мощности...................................................................................... 142

4.5.3..Согласующие.цепи.узкополосных.усилителей.мощности.............. 149
4.5.4..Широкополосные.согласующие.цепи.усилителя.мощности.......... 150
4.5.5..Принципы.построения.принципиальных.электрических.схем.

высокочастотных.усилителей.мощности................................................ 152

4.6..Сложение.мощностей.сигналов.усилителей.мощности............................... 153

4.6.1..Способы.суммирования.мощностей.сигналов.при.построении.

мощных.усилителей.мощности,.их.достоинства.и.недостатки...... 153

4.6.2..Мостовые.усилители.мощности................................................................ 155

Глава 5. Основы теории автогенераторов. Формирование опорных, 
несущих и управляющих колебаний......................................................................... 160
5.1..Анализ.режимов.работы.транзисторных.и.диодных.автогенераторов.... 160

5.1.1..Общие.сведения.о.транзисторных.и.диодных.автогенераторах.... 160
5.1.2..Стационарный.режим.работы.автогенератора..................................... 165
5.1.3..Устойчивость.стационарного.режима...................................................... 166
5.1.4..Схемы.одноконтурных.автогенераторов................................................ 167
5.1.5..Расчет.условий.самовозбуждения.автогенератора............................. 169

5.2..Стабильность.частоты.колебаний.автогенератора......................................... 174

5.2.1..Физические.свойства.кварца...................................................................... 174
5.2.2..Влияние.нестабильности.частоты.и.шумов.на.работу.

радиотехнических.устройств....................................................................... 177

5.2.3..Долговременная.и.кратковременная.стабильность.частоты........... 178
5.2.4..Влияние.параметров.нагрузки.на.стабильность.колебаний........... 180
5.2.5..Захватывание.частоты.колебаний.автогенераторов........................... 180

5.3..Кварцевая.стабилизация.частоты......................................................................... 181

5.3.1..Основные.характеристики.кварцевого.резонатора............................ 182
5.3.2..Транзисторные.автогенераторы.с.кварцевой.стабилизацией.

частоты................................................................................................................ 186

5.3.3..Гибридные.и.интегральные.схемы.автогенераторов.......................... 188
5.3.4..Схемы.генераторов.с.устройствами.на.поверхностных.

акустических.волнах...................................................................................... 188

5.4..Автогенераторы.специального.назначения....................................................... 191

5.4.1..RC-генераторы.гармонических.колебаний.и.их.реализация.

на.операционных.усилителях..................................................................... 191

5.4.2..Генератор.Пирса............................................................................................... 195
5.4.3..Кварцевые.генераторы.на.основе.ТТЛ-элементов.............................. 196

Оглавление
6

5.4.4..Цифровые.генераторы.низких.частот..................................................... 197
5.4.5..Генераторы.шумовых.сигналов.................................................................. 198
5.4.6..Кварцевые.автогенераторы,.управляемые.напряжением................. 198

5.5..Синтезаторы.частоты................................................................................................ 199

5.5.1..Понятие.частотного.синтезатора............................................................... 199
5.5.2..Характеристические.параметры.частотных.синтезаторов............... 200
5.5.3..Прямой.аналоговый.синтез.(DAS)........................................................... 201
5.5.4..Косвенный.синтез.частоты.на.основе.фазовой.

автоподстройки.(PLL)................................................................................... 202

5.5.5..Прямой.цифровой.синтез.(DDS).............................................................. 203
5.5.6..Структура.DDS................................................................................................ 205
5.5.7..Исходные.частоты........................................................................................... 210
5.5.8..Смесители.для.перемещения.исходной.частоты.по.диапазону..... 211
5.5.9..Делители.частоты.для.перемещения.исходной.частоты.

по.диапазону...................................................................................................... 212

5.5.10..Техника.частотного.синтеза...................................................................... 212

Глава 6. Формирование модулированных и манипулированных 
сигналов................................................................................................................................. 214
6.1..Амплитудные.модуляторы:.работа.и.устройство........................................... 214

6.1.1..Амплитудная.базовая.модуляция............................................................. 216
6.1.2..Усиление.АМ.колебаний.............................................................................. 219
6.1.3..Амплитудная.коллекторная.модуляция................................................. 219
6.1.4..Передача.без.несущей..Балансная.схема................................................ 221
6.1.5..Квадратурный.амплитудный.модулятор................................................ 221
6.1.6..Амплитудная.однополосная.модуляция................................................. 222
6.1.7..Канал.формирования.сигналов.с.амплитудной.

и.однополосной.модуляцией...................................................................... 223

6.2..Cхемотехника.частотных.модуляторов.............................................................. 226

6.2.1..Прямые.методы.частотной.модуляции................................................... 226
6.2.2..Схема.частотного.модулятора.с.конденсаторным.микрофоном.... 227
6.2.3..Реактивный.транзистор................................................................................ 227
6.2.4..Схема.частотной.модуляции.с.варикапом............................................. 230
6.2.5..Схема.частотного.модулятора.с.ферромодулятором......................... 230
6.2.6..Косвенные.методы.получения.ЧМ.колебаний.................................... 231
6.2.7..Фазовый.модулятор.в.схеме.частотной.модуляции.......................... 232

6.3..Фазовая.модуляция................................................................................................... 234

6.3.1..Прямой.метод.получения.ФМ.колебаний............................................. 234
6.3.2..Косвенный.метод.получения.ФМ.колебаний...................................... 234
6.3.3..Порядок.расчета.частотного.модулятора.с.варикапом..................... 235

6.4..Манипуляция..Формирование.цифрового.сигнала....................................... 237

6.4.1..Представление.цифровых.сигналов.во.временной.

и.частотной.областях..................................................................................... 237

Оглавление
7

6.4.2..Виды.и.параметры.цифровых.сигналов................................................. 245
6.4.3..Ограничения.полосы.частот.цифрового.сигнала.

и.межсимвольная.интерференция............................................................ 250

6.5..Фазовая.манипуляция.............................................................................................. 260

6.5.1..Общие.представления.о.фазово-манипулированных.сигналах..... 260
6.5.2..Бинарная.фазовая.манипуляция............................................................... 262
6.5.3..Квадратурная.фазовая.манипуляция....................................................... 263
6.4.4..Дифференциальная.фазовая.манипуляция........................................... 265
6.5.5..Дифференциальная.фазовая.манипуляция.

со.смещением.на.π/4...................................................................................... 269

6.5.6..Квадратурная.сдвиговая.фазовая.модуляция...................................... 272
6.5.7..Сложная.амплитудно-фазовая.модуляция............................................ 273

6.6..Формирование.частотно-манипулированных.сигналов.............................. 275

6.6.1..Общие.сведения.о.частотно-манипулированных.сигналах............. 275
6.6.2..Частотно-манипулированные.сигналы.с.разрывной.

и.непрерывной.фазой.................................................................................... 276

6.6.3..Частотная.манипуляция.с.минимальным.частотным.сдвигом...... 281
6.6.4..Спектрально-эффективная.частотная.манипуляция......................... 283
6.6.5..Манипулятор.частотно-манипулированных.радиосигналов.

с.непрерывной.фазой..................................................................................... 283

6.6.6..Модуляция.GMSK.в.системах.радиосвязи........................................... 286

6.7..Системы.манипуляции.с.расширенным.спектром......................................... 302

6.7.1..Методы.формирования.сигнала.с.расширенным.спектром..

Обоснование.принципа.работы.систем.с.расширением.спектра.... 302

6.7.2..Использование.в.системах.радиосвязи.сверхширокополосных.

радиосигналов................................................................................................... 309

6.7.3..Методы.формирования.многомерных.сигналов.................................. 319

Глава 7. Формирование радиосигналов СВЧ и оптического 
диапазонов волн................................................................................................................. 324

7.1..Транзисторные.усилители.мощности................................................................. 324

7.1.1..Диапазон.СВЧ.и.его.особенности............................................................. 324
7.1.2..Общие.сведения.о.приборах.СВЧ,.классификация.приборов....... 325
7.1.3..СВЧ.транзисторы............................................................................................ 327
7.1.4..СВЧ.транзисторный.усилитель................................................................. 327
7.1.5..Колебательные.цепи.СВЧ.генераторов.................................................. 328
7.1.6..Особенности.режимов.работы.активных.элементов.

и.конструкций.генераторов.СВЧ.............................................................. 335

7.1.7..Особенности.расчета.режимов.активного.элемента.

в.усилителе.мощности................................................................................... 336

7.2..Транзисторные.автогенераторы.СВЧ.................................................................. 337

7.2.1..СВЧ.транзисторы............................................................................................ 337
7.2.2..Многоконтурные.автогенераторы............................................................. 340

Оглавление
8

7.2.3..Двухконтурные.автогенераторы.на.полевом.транзисторе............... 344
7.2.4..Расчет.двухконтурного.генератора.с.общей.базой............................. 346
7.2.5..Синхронизация.автогенераторов.внешним.сигналом....................... 347

7.3..Умножители.частоты................................................................................................. 349

7.3.1..Общие.сведения............................................................................................... 349
7.3.2..Полупроводниковые.умножители.частоты........................................... 350
7.3.3..Принцип.работы.полупроводникового.умножителя.частоты........ 351
7.3.4..Варакторный.умножитель.частоты.......................................................... 353
7.3.5..Пример.реального.варакторного.умножителя.частоты.................... 358

7.4..Диодные.усилители.и.автогенераторы............................................................... 362

7.4.1..Диоды.Ганна...................................................................................................... 363
7.4.2..Лавинно-пролетные.диоды..Лавинное.умножение.носителей.

заряда................................................................................................................... 367

7.4.3..Параметры.и.характеристики.генераторов.и.усилителей.

на.ЛПД.в.пролетном.режиме..................................................................... 373

7.4.4..Особенности.устройства.и.применения.ЛПД...................................... 376
7.4.5..Статические.и.динамические.вольт-амперные.характеристики.... 378
7.4.6..Схемы.включения.диодов.в.цепь.источника.питания...................... 379
7.4.7..Методы.расчета.диодных.генераторов.................................................... 381
7.4.8..Режимы.работы.диодных.генераторов.................................................... 381
7.4.9..Синхронизация.и.самосинхронизация.диодных.

автогенераторов................................................................................................ 384

7.4.10..Модуляция.и.перестройка.частоты.диодных.генераторов........... 385

7.5..Клистронные.генераторы......................................................................................... 386

7.5.1..Пролетный.двухрезонаторный.клистрон............................................... 386
7.5.2..Двухрезонаторные.клистронные.генераторы....................................... 391
7.5.3..Многорезонаторные.клистроны................................................................. 392
7.5.4..Применение.многорезонаторных.клистронов...................................... 395
7.5.5..Отражательный.клистрон............................................................................ 397

7.6..Генераторы.на.лампах.бегущей.волны................................................................ 400

7.6.1..Принцип.работы.ЛБВ................................................................................... 401
7.6.2..Замедляющие.системы.................................................................................. 404
7.6.3..Энергетические.соотношения.для.ЛБВ.типа.О.и.М......................... 410
7.6.4..Регулировочные.характеристики.усилителей.на.ЛБВ..................... 414
7.6.5..Особенности.устройства.и.применения.ЛБВ...................................... 416

7.7..Квантовые.генераторы.............................................................................................. 419

7.7.1..Физические.основы.квантовых.приборов..

Энергетические.уровни................................................................................. 419

7.7.2..Квантовые.переходы...................................................................................... 421
7.7.3..Ширина.спектральной.линии..................................................................... 424
7.7.4..Лазеры................................................................................................................. 429
7.7.5..Применение.лазеров.в.технике.связи...................................................... 432
7.7.6..Оптические.линии.связи.............................................................................. 436

Оглавление
9

Глава 8. Структурные схемы передающих устройств цифровых 
систем...................................................................................................................................... 438
8.1..Общая.характеристика.передающих.устройств.формирования.

радиосигнала................................................................................................................ 438
8.1.1..Преимущества.цифровой.технологии..................................................... 438
8.1.2..Классификация.радиопередатчиков.систем.и.сетей.

цифровых.коммуникаций............................................................................ 439

8.1.3..Принципы.построения.формирователей.радиосигналов................. 443
8.1.4..Методы.многостанционного.доступа....................................................... 446
8.1.5..Автоматическое.управление.передатчиком........................................... 452
8.1.6..Проблемы.обеспечения.безопасности.

при.работе.радиопередатчика..................................................................... 452

8.2..Структурные.схемы.передающих.устройств.систем.сотовой.связи....... 455

8.2.1..Организация.работы.систем.сотовой.связи.......................................... 455
8.2.2..Структурные.схемы.передатчиков.мобильной.

и.базовой.станций........................................................................................... 465

8.2.3..Манипуляционные.устройства.и.особенности.построения.

выходных.усилителей.мощности.формирователей.
радиосигналов.систем.сотовой.связи...................................................... 468

8.2.4..Стандартизация.характеристик.передающих.устройств.................. 470

8.3..Структурные.схемы.радиопередатчиков.систем.транкинговой.связи.... 474

8.3.1..Общие.сведения.о.системной.модели.стандарта.ТЕТRА................ 474
8.3.2..Особенности.построения.структурных.схем.базовых.

и.мобильных.передатчиков.транкинговой.системы.ТЕТРА........... 478

8.3.3..Устройство,.принцип.работы.и.диаграмма.состояний.

выходного.сигнала.манипулятора.π/4.DQPSK................................... 483

8.4..Передатчики.систем.беспроводного.абонентского.доступа....................... 488

8.4.1..Стандарты.беспроводного.абонентского.доступа............................... 488
8.4.2..Радиоудлинители............................................................................................ 493
8.4.3..Структурные.схемы.передатчиков.базовых.и.мобильных.

станций................................................................................................................ 495

8.4.4..Принципы.формирования.радиосигнала.на.основе.генератора,.

управляемого.напряжением,.и.гауссовской.частотной.
манипуляции.с.минимальным.сдвигом.................................................. 499

8.5..Радиопередатчики.спутниковых.систем.связи................................................ 501

8.5.1..Классификация,.структурные.схемы.формирователей.

радиосигналов................................................................................................... 502

8.5.2..Особенности.передачи.сигналов.в.спутниковых.системах.

связи..................................................................................................................... 506

8.5.3..Модуляция.в.формирователях................................................................... 507
8.5.4..Искажение.сигнала,.вызванное.амплитудными.

нелинейностями.в.усилителе.мощности................................................ 507

8.5.5..АМ/ФМ.преобразование.сигнала............................................................. 508

Оглавление
10

8.5.6..Влияние.помех.в.канале.на.сигналы.с.многоуровневой.

фазовой.манипуляцией................................................................................. 509

8.5.7..Краткая.характеристика.передающих.устройств.в.спутниковых.

системах.связи.«Орбита»,.«Экран»,.«Москва»,.«Ямал».................. 511

8.5.8..Передача.телевизионных.сигналов.по.каналам.спутниковой.

системы.связи................................................................................................... 515

8.6..Передатчики.радиорелейных.линий.связи....................................................... 518

8.6.1..Общие.принципы.построения.радиорелейных.линий.

прямой.видимости.......................................................................................... 518

8.6.2..Манипуляция.в.цифровых.РРЛ................................................................ 524
8.6.3..Манипулятор.КАМ-16.................................................................................. 525

8.7..Паразитные.колебания.в.передатчиках.цифровой.радиосвязи................ 528

8.7.1..Виды.и.причины.возникновения.неустойчивости.работы.

усилителя.мощности.и.автогенератора.в.передатчиках................... 528

8.7.2..Паразитное.возбуждение.передатчика.за.счет.обратной.связи..... 530
8.7.3..Параметрическое.возбуждение.паразитных.колебаний................... 532
8.7.4..Меры.ослабления.неустойчивых.явлений.в.радиопередатчике..... 533

8.8..Побочные.излучения.передатчиков..................................................................... 536

8.8.1..Понятие.об.электромагнитной.совместимости.передатчиков....... 536
8.8.2..Классификация.побочных.излучений..................................................... 538
8.8.3..Механизмы.возникновения.гармонических.шумов.

и.интермодуляционных.побочных.колебаний.в.передатчике........ 539

8.8.4..Методы.измерения.и.уменьшения.побочных.излучений................ 542

Глава 9. Ортогональное частотное разделение с мультиплексированием 
(канал OFDM).................................................................................................................... 545
9.1..Принципы.формирования.сигнала.с.OFDM................................................... 545
9.2..Проблема.многолучевого.распространения...................................................... 547
9.3..Структура.сигнала.с.OFDM................................................................................... 548
9.4..Передающая.часть.цифровой.телевизионной.системы.с.OFDM............. 552
9.5..Выполнение.прямого.преобразования.Фурье................................................. 554
9.6..Модуляция.поднесущих........................................................................................... 557
9.7..Построение.сигналов.OFDM................................................................................. 560
9.8..Противодействие.сигналов.OFDM.помехам................................................... 562
9.9..Пространство.сигналов............................................................................................. 563
9.10..Структура.кадра.OFDM........................................................................................ 564
9.11..Прием.OFDM............................................................................................................ 567
9.12..Иерархическая.кодированная.модуляция.с.ортогональным.

частотным.разделением.и.мультиплексированием..................................... 568
9.12.1..Расчленение.канала................................................................................... 568
9.12.2..Прокладка.поднесущих............................................................................ 568
9.12.3..Прокладка.защитных.интервалов........................................................ 569
9.12.4..Канал.синхронизации............................................................................... 570
9.12.5..Передача.данных.с.использованием.COFDM................................. 570

Оглавление
11

9.12.6..Основные.созвездия.................................................................................. 571
9.12.7..Иерархическое.созвездие......................................................................... 571

Глава 10. Системы с расширением спектра............................................................ 575
10.1..Введение.в.системы.связи.с.расширением.спектра.................................... 575

10.1.1..Технологии.расширения.спектра.сигналов....................................... 575
10.1.2..Преимущества.техники.расширения.спектра.................................. 579
10.1.3..Типы.систем.с.расширением.спектра................................................. 579
10.1.4..Системы.с.прямой.последовательностью.расширения.

спектра............................................................................................................ 580

10.1.5..Системы.расширения.спектра.с.перескоком.частоты.................. 581
10.1.6..Перескоки.частоты.во.времени............................................................. 582
10.1.7..Смешанная.система:.DS/FH.................................................................. 584
10.1.8..Характеристики.кода.расширения....................................................... 585
10.1.9..Использование.расширенного.спектра............................................... 587
10.1.10..Вхождение.в.синхронизм.по.кодовой.комбинации.................... 588

10.2..Классификация,.основанная.на.стратегии.поиска...................................... 592

10.2.1..Системы.беспроводных.локальных.сетей......................................... 594
10.2.2..Глобальная.система.позиционирования............................................ 598

10.3..Стандарт.IS-95.CDMA........................................................................................... 603

10.3.1..Широкополосный.множественный.кодовый.доступ.................... 605
10.3.2..Функции.передачи.по.физическому.каналу.................................... 610

Литература.......................................................................................................................... 613

Предисловие

Курс. «Формирование. и. генерирование. сигналов. в. цифровой.

радиосвязи».устанавливает.цели.и.задачи.профессиональной.деятельности.специалиста.радиотехнического.профиля,.требования.
к.уровню.подготовки.выпускника.вуза,.содержанию.образовательной. программы. и. ее. реализации,. обеспечению. образовательного.
процесса.и.итоговой.государственной.аттестации.выпускника.вуза,.
подготовленного.по.специальности.1-39.01.01-02.—.Радиотехника.
(Техника.цифровой.радиосвязи),.обеспечивающей.получение.профессиональной.квалификации.«инженер.по.радиоэлектронике».

Основные. положения. этого. курса. используются. при. разра
ботке. нормативно-методических. документов. и. учебно-про.граммной. документации. других. дисциплин,. таких. как. «Устройства.
приема.сигналов.в.цифровой.радиосвязи»,.«Мобильная.цифровая.
радиосвязь.и.электромагнитная.совместимость.радиоэлектронных.
средств»,.«Системы.и.сети.цифровой.радиосвязи»,.регулирующей.
образовательный.процесс.в.высшей.школе,.а.также.при.оценке.качества.высшего.образования.во.всех.учреждениях,.обеспечивающих.
получение.высшего.образования.(высших.учебных.заведениях),.
на. территории. Республики. Беларусь,. независимо. от. их. принадлежности.и.форм.собственности.

Общие.цели.подготовки.специалиста:

ˆ формирование.и.развитие.социально-профессиональной.ком
петентности,.позволяющей.сочетать.академические,.профессиональные,.социально-личностные.компетенции.для.решения.задач.в.сфере.
профессиональной.и.социальной.деятельности;

ˆ формирование.навыков.профессиональной.деятельности,.за
ключающейся.в.умении.ставить.задачи,.вырабатывать.и.принимать.
решения.с.учетом.их.социальных,.экологических.и.экономических.
последствий,.планировать.и.организовывать.работу.коллектива;

ˆ формирование.навыков.исследовательской.работы,.заклю
чающейся.в.планировании.и.проведении.научного.эксперимента,.
в.умении.проводить.научный.анализ.полученных.результатов,.осуществлять.творческое.применение.научных.достижений.в.области.
радиотехники.

В.процессе.изучения.дисциплины.обучаемый.должен.овладеть.

следующими.ключевыми.темами:

ˆ устройства.генерирования.радиосигналов.высокой.частоты;

ˆ основы.теории.автогенераторов;

Предисловие
13

ˆ устройства.формирования.радиосигналов.высокой.частоты;

ˆ устройства. генерирования. и. формирования. радиосигналов.

сверхвысоких.частот.и.оптического.диапазона.волн;

ˆ структурные.схемы.радиопередающих.устройств;

ˆ электромагнитная.совместимость.
При.этом.он.должен:

ˆ овладеть.основными.методами.анализа.и.синтеза.устройств.

генерирования,. усиления. и. формирования. радиосигналов. в. различных.диапазонах.волн;

ˆ усвоить. принципы. работы. и. теоретические. основы. радио
электронных.устройств,.осуществляющих.генерирование.и.усиление.колебаний.радиочастоты.с.амплитудной,.однополосной,.угловой.и.импульсной.модуляцией;

ˆ свободно.ориентироваться.в.способах.разработки.и.построе
ния.структурных,.функциональных.и.принципиальных.схем.как.
отдельных.каскадов,.так.и.радиопередающих.устройств.в.целом;

ˆ определять.критерии.оптимальности.структуры.радиопере
дающих.устройств,.обеспечивающих.реализацию.требований,.предъявляемых.к.разрабатываемым.радиотехническим.системам;.

ˆ определять.показатели.и.характеристики.спроектированных.

устройств;.

ˆ освоить. методику. настройки. отдельных. каскадов. и. радио
передатчика.в.целом;

ˆ осуществлять.схемотехническое.проектирование.радиопереда
ющих.устройств.на.основе.современной.элементной.базы.и.технологии,.использовать.при.проектировании.вычислительную.технику;

ˆ составлять.схемы.устройств,.производить.расчет.их.режимов.

и.характеристик;

ˆ владеть.номенклатурой.постоянно.обновляющихся.компо
нентов.для.проектирования.радиопередатчиков.

Поскольку.учебным.планом.предусмотрено.выполнение.курсо
вого.проекта,.то.кратко.перечислим.основные.этапы,.которых.следует.придерживаться.при.разработке.конкретной.технической.задачи,.решаемой.в.процессе.выполнения.такого.проекта:

1).анализ.назначения.и.условий.эксплуатации.проектируемого.

изделия;

2).анализ.технических.требований.на.проектируемый.передат
чик.и.согласование.их.с.действующими.нормами,.стандартами.и.
особенностями.условий.эксплуатации;

Предисловие
14

3).анализ.передатчиков,.используемых.в.качестве.прототипов.

проектируемому,. изучение. их. характеристик. (мощность,. методы.
модуляции,.обеспечение.стабильности.частоты.и.т..д.),.оценка.возможности. использования. этих. решений. в. проектируемом. передатчике;

4).нахождение.оптимального.пути.реализации.технических.тре
бований.к.проектируемому.передатчику.и.составление.его.структурной.схемы;

5).выбор.схемных.решений.каждого.каскада.передатчика.и.со
ставление.его.электрической.схемы;

6).электрический. расчет. каскадов. передатчика,. имеющий. це
лью.обеспечить.наибольшую.эффективность.передатчика.в.целом.
и.его.заданные.показатели;

7).расчет.и.выбор.по.нормам.и.стандартам.комплектующих.из
делий,. электрический. и. конструктивный. расчет. нестандартных.
радиотехнических.деталей.или.узлов,.составление.спецификации.
деталей.рассчитанных.каскадов;

8).корректирование. полной. электрической. принципиальной.

схемы. передатчика. и. оценка. результатов. проектирования:. сопоставление.требований.к.проектируемому.передатчику.и.фактически.достигнутых.расчетных.результатов.

Список основных сокращений

.
АБГШ. —.аддитивный.белый.гауссовский.шум

.
АИМ. —.амплитудно-импульсная.модуляция

.
АМ. —.амплитудно-модулированные.(колебания)

.
АЦП. —.аналого-цифровой.преобразователь

.
АЧХ. —.амплитудно-частотная.характеристика

.
АЭ. —.активный.элемент

.
ВИМ. —.время-импульсная.модуляция

.
ВОЛС. —.волоконно-оптические.линии.связи

.
ВЧ. —.высокочастотные.(колебания,.диапазоны.и.др.)

.
ГВВ. —.генератор.с.внешним.возбуждением

.
ГЛПД. —.генератор.на.ЛПД.

.
ДВПФ. —.дискретно-временное.преобразование.Фурье

.
ДВРФ. —.дискретно-временной.ряд.Фурье

.
ДНЗ. —.диоды.с.накоплением.заряда

.
ДПФ. —.дискретное.преобразование.Фурье

.
ДРФ. —.дискретный.ряд.Фурье

.
ИКМ. —.импульсная.кодовая.манипуляция

.
КАМ. —.квадратурная.амплитудная.модуляция

.
КБС. —.контроллер.базовой.станции.

.
КПД. —.коэффициент.полезного.действия

.
КСС. —.комплексный.стереофонический.сигнал

.
ЛБВ. —.лампа.бегущей.волны

.
ЛПД. —.лавинно-пролетный.диод

.
МЗР. —.младший.значащий.разряд

.
МПД. —.диод.с.междолинным.переносом.электронов.

.
ММД. —.миллиметровый.диапазон

.
НИР. —.научно-исследовательская.работа

.
ООС. —.обратная.отрицательная.связь

.
ОФМ. —.относительная.(дифференциальная).фазовая.мани
пуляция

.
ПАВ. —.поверхностные.акустические.волны

.
ПЗУ. —.постоянное.запоминающее.устройство

.
ПМ. —.полярно-модулированный.(сигнал)

.
РРЛ. —.радиорелейная.линия

.
РРС. —.радиорелейная.станция

.
СВЧ. —.сверхвысокочастотные.(колебания,.диапазоны)

.
ТКЕ. —.температурный.коэффициент.емкости.

Список основных сокращений
16

.
ТКЧ. —.температурный.коэффициент.частоты

.
ТТЛ. —.транзистор-транзисторная.логика

.
ТВЧ. —.телевидение.высокой.четкости.

.
УЛПД. —.усилитель.на.ЛПД

.
УМ. —.усилитель.мощности

.
ФМ. —.фазомодулированные.(колебания)

.
ФНЧ. —.фильтр.нижних.частот

.
ФЧХ. —.фазочастотная.характеристика

.
ЧМ. —.частотно-модулированные.(колебания)

.
ШСС. —.широкополосные.системы.связи

.
ШССММ. —.ШСС.в.миллиметровом.диапазоне.волн

.
ШИМ. —.широтно-импульсная.модуляция

.
ЦАП. —.цифроаналоговый.преобразователь

.
ЭДС. —.электродвижущая.сила

.
AUC. —.Authentication.Centre

.
BER. —.Bit.Error.Rate

.
BPSK. —.Binary.Phase.Shift.Keying

.
BSC. —.Base.Station.Controller

.
CAS. —.Channel.Associated.Signaling

.
CCITT. —.International.Telegraph.and.Telephone.Committee

.
CCS. —.Common.Channel.Signaling

.
CDMA. —.Code.Division.Multiplex.Access

.
COFDM. —.Coded.Orthogonal.Frequency.Division.Multiplex

. CSMA/CD. —.Carrier.Sense.Multiple.Access.with.Collision.De.tec
tion

.
DAB. —.Digital.Audio.Broadcasting,.

.
DAS. —.Direct.Analog.Synthesis

.
DBPSK. —.Differential.Binary.Phase.Shift.Keying

.
DDS. —.Direct.Digital.Synthesis

.
DSL. —.Digital.Subscriber.Line

.
DSSS. —.Direct.Sequence.Spread.Spectrum

.
DVB. —.Digital.Video.Broadcasting

.
EIR. —.Equipment.Identification.Register

.
FDMA. —.Frequency.Division.Multiple.Access

.
FH. —.Frequency.Hopping

.
FHSS. —.Frequency.Hopping.Spread.Spectrum

.
FDM. —.Frequency.Division.Multiplex

.
FDMA. —.Frequency.Division.Multiple.Access

Список основных сокращений
17

.
FSK. —.Frequency.Shift.Keying

.
GI. —.Guard.Interval

.
GMSK. —.Gaussian.Minimum.Shift.Keying

.
GPS. —.Global.Positioning.System

.
GSM. —.Global.System.of.Mobile

.GSM/EDGE.—.Enhanced.Data.Rates.for.GSM.Evolution
.
HDR. —.High.Data.Rate

.
HEMT. —.High.Electron.Mobility.Transistor

.
HDTV. —.High.Digital.TeleVision

.
HLR. —.Home.Location.Register

.
HP. —.Hifh.Priority

.
IBSS. —.Independent.Basic.Service.Set

.
IDN. —.Integrated.Digital.Network

.
ISI. —.Inter.Symbol.Interference

.
ISDN. —.Integrated.Services.Digital.Network

.
IVIS. —.Inter.Vehicle.Information.System

.
LP. —.Low.Priority

.
MAC. —.Medium.Access.Control

.
MAN. —.Metropolitan.Area.Network

.
MS. —.Mobile.Stations

.
MSK. —.Minimum.Shift.Keying.

.
NCO. —.Numerically.Controlled.Oscillator

.
NRZ. —.Non.Return.Zero

.
OFDM. —.Orthogonal.Frequency.Division.Multiplexing

.
OMC. —.Operation.and.Maintenance.Centre

.
OVSF. —.Orthogonal.Variable.Spreading.Factor

.
РAM. —.Pulse.Amplitude.Modulation

.
PCM. —.Pulse.Coded.Modulation

.
PCS. —.Personnel.Communication.Devices

.
PDM. —.Pulse.Density.Modulation

.
PLL. —.Phase.Locked.Loop

.
PNM. —.Pulse.Number.Modulation

.
ppm. —.part.per.million

.
PPM. —.Pulse.Position.Modulation

.
PWM. —.Pulse.Width.Modulation.

.
QAM. —.Quadrature.Amplitude.Modulation

.
QPSK. —.Quadrate.Phase.Shift.Keying

.
RADIUS. —.Remote.Access.Dial-In.User.Server

Список основных сокращений
18

.
RASE. —.Rapid.Acquisition.by.Sequential.Estimation

.
SFH. —.Slow.Frequency.Hopping

.
SIM. —.Standard.Identification.Module

.
SMS. —.Short.Message.Service

.
TCH. —.Traffic.Channel

.
THSS. —.Time.Hopping.Spread.Spectrum

.
TDM. —.Time.Division.Multiplex

.
TDMA. —.Time.Division.Multiple.Access

.
TFM. —.Timed.Frequency.Modulation

.
ТРАРАТТ. —.ТРApped.Plasma.Avalanche.Triggered.Trarbit

.
UMTS. —.Universal.Mobile.Telecommunication.System

.
UWB. —.Ultra.Wide.Band

.
VAD. —.Voice.Activity.Detector

.
VCO. —.Voltage.Controlled.Oscillator

.
VLR. —.Visitor.Location.Register

.
WAP. —.Wireless.Application.Protocol

.
WCDMA. —.Wideband.Coded.Division.Multiply.Access

.
WDM. —.Wavelengths.Division.Multiplexing

.
WEP. —.Wired.Equivalent.Privacy.

.
WLAN. —.Wireless.Local.Area.Networks

.
WPA. —.Wi-Fi.Protected.Access

.
WPA-PSK. —.WPA.Pre-Shared.Key

π/4.DQPSK. —.Differential.Quadrate.Phase.Shift.Keying

ВВЕДЕНИЕ

Краткие исторические сведения.. История. развития. техники.

формирования. и. генерирования. сигналов. берет. начало. с. 1896. г.,.
когда.А.С..Попову.удалось.передать.первую.радиограмму.на.расстояние. 250. м.. В. дальнейшем. для. увеличения. дальности. радиосвязи.А.С..Попов.применил.антенну.на.передатчике,.к.1897.г..ему.
удалось. перекрыть. связью. расстояние. до. 5. км,. а. к. 1899. г.. —. до.
45.км..В.радиопередатчике.А.С..Попова.использовался.единственно.известный.в.то.время.принцип.получения.колебаний.высокой.
частоты.—.с.помощью.искрового.разряда..Отсюда.название.таких.
передатчиков.—.искровые.

Первые.искровые.передатчики.с.быстро.затухающими.колеба
ниями.излучали.колебания.исключительно.широкого.спектра,.что.
создавало.помехи.соседним.радиолиниям..Для.повышения.добротности.антенной.колебательной.системы.и,.следовательно,.уменьшения.затухания.высокочастотных.колебаний.в.дальнейшем.разрядник.был.перенесен.в.дополнительный.колебательный.контур,.
индуктивно.связанный.с.антенным.контуром.

Наряду. с. совершенствованием. искровых. радиопередатчиков.

в. начале. XX. в.. были. получены. незатухающие. высокочастотные.
колебания. в. резонансном. контуре,. присоединенном. параллельно.
к. вольтовой. дуге,. —. так. называемые. дуговые радиопередатчики.
Незатухающие.колебания.генерировались.также.с.помощью.электромашин.высокой.частоты.—.машинные радиопередатчики.

Машинные.и.дуговые.радиопередатчики.к.концу.1914.г..прак
тически.полностью.вытеснили.искровые..В.России.были.построены.мощные.дуговые.передатчики.под.руководством.В.М..Лебедева.
и.М.В..Шулейкина..Важную.роль.в развитии.техники.машинных.
радиопередатчиков.сыграли.работы.В.П..Вологдина,.под.руководством.которого.было.построено.несколько.мощных.машинных.радиостанций.. Машины. В.П.. Вологдина. мощностью. 50. и. 150. кВт.
были. использованы. на. Ходынской. радиотелеграфной. станции.
в.Москве.в.1924–1925.гг.

Как.дуговые,.так.и.машинные.радиопередатчики.имели.ряд.су
щественных. недостатков,. поэтому. к. 1930-м. гг.. они. были. полностью.вытеснены.ламповыми.

Впервые.ламповые.радиопередатчики.появились.в.1914–1916.гг..

Первые.отечественные.генераторные.лампы.были.созданы.в.1914.г..