книги из ГПНТБ / Хмельницкий Е.А. Разнесённый приём и оценка его эффективности

ПРЕДИСЛОВИЕ

На коротковолновых линиях магистральной радиосвязи уже около тридцати лет применяется способ разнесённого приёма как весьма эффективное средство борьбы с замираниями. Этот

способ был разработан на основе многочисленных эксперимен­ тов и многолетней практики, так как до последних лет не было работ, которые давали бы количественную оценку устойчивости коротковолновых каналов связи и различных способов повы­ шения надёжности их работы и в том числе количественной оценки эффективности разнесённого приёма.

Работы последних лет в области статистической математи­ ки, теории вероятности, импульсной радиотехники и в других областях позволили значительно продвинуть решение этой за­ дачи.

В настоящей лекции делается попытка систематизировать часть работ, посвящённых вопросам устойчивости коротковол­ новых каналов связи, ввести критерий оценки качества работы связи и произвести оценку эффективности различных способов, направленных на повышение устойчивости работы.

Лекция представит интерес как для инженерно-технических работников эксплуатационных предприятий радиосвязи, так и

для работников научно-исследовательских и учебных институ­ тов, а также для студентов, специализирующихся в этой об­ ласти.

Замечания по данной лекции следует направлять в Связьиздат (Москва-центр, Чистопрудный бульвар, 2).

Техническое управление Министерства связи СССР

2—598

ВВЕДЕНИЕ

Количественная оценка устойчивости коротковолновых ка­ налов связи при замираниях уровня сигнала и особенно при

разнесённом приёме связана с рядом трудностей, характер ко­ торых будет ясен из последующего изложения. Здесь заметим

только, что до последнего времени использование разнесённо­

го приёма (приём на разнесённые антенны, передача и приём одной программы в каналах, разнесённых по частоте, и т. д.) ба­ зировалось главным образом на экспериментах. Поэтому оцен­ ка преимуществ одних инженерных решений перед другими тре­ бовала длительной эксплуатационной проверки. Между тем, такой проверки можно было избежать, а инженерные решения принимать более уверенно, если бы была разработана методи­ ка количественной оценки устойчивости радиосвязи.

В решении задачи количественной оценки устойчивости

приёма сигналов, подверженных замираниям, можно усмот­ реть два этапа. На первом этапе экспериментально устанавли­ ваются закономерности изменения параметров сигналов при за­ мираниях, а затем при использовании полученных закономер­

ностей для каждого рода работы и определённого вида помех

расчётным путём определяется устойчивость при простом оди­ нарном приёме и при приёме на разнесённые антенны. Таким образом, задача определения устойчивости канала связи раз­ деляется на две — экспериментальную и расчётную.

Первые успешные шаги в направлении количественной оцен­ ки устойчивости коротковолновых связей были сделаны в 1936 г. в работах В. А. Котельникова и Н. Н. Шумской. В этих работах показано, что количественную оценку устойчивости приёма сиг­ налов, подверженных замираниям, надо производить статисти­ ческими методами. Благодаря работам последних лет (особен­ но в области импульсной радиотехники и статистической мате­ матики) удалось значительно продвинуть экспериментальную и расчётную части задачи оценки устойчивости. С помощью но­

вой аппаратуры проведены эксперименты по оценке особен­ ностей распространения радиоволн на некоторых линиях связи,

а также разработаны математические методы расчёта. Всё это дало возможность перейти к количественной оценке устойчи­ вости коротковолновых линий связи с учётом специфики раз­

несённого приёма.

4

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРОТКИХ РАДИОВОЛН

1. Замирание уровней сигналов и случайные величины запаздывания

Физические явления, имеющие место при распространении

коротких радиоволн на магистралях большой протяжённости, настолько сложны, что для количественной оценки тех измене­ ний, которые претерпевают радиосигналы, прибегают к ряду упрощений. В соответствии с характером этих упрощений строят­

ся модели механизма распространения, отображающие в боль­ шей или мёньшей мере конкретные условия. Рассмотрим неко­

торые модели.

Считают, что излучённый сигнал распространяется от пере­

дающего к приёмному устройству подобно световому лучу, от­ ражаясь от ионосферы (однократное отражение) или от ионо­ сферы и от поверхности Земли (многократное отражение). Даже

в случае однолучевого распространения следует учитывать, что сигнал в месте приёма является суммой отдельных сигналов,

пришедших по мало различающимся самостоятельным траек­ ториям, а этого малого различия в траекториях достаточно для того, чтобы в месте приёма из-за интерференции происходили замирания уровня принимаемого сигнала.

На магистральных линиях связи часто встречаются такие условия распространения радиоволн, при которых в место приё­ ма приходят несколько лучей. Например, отражение может про­ исходить от ионосферных слоёв с различной высотой. При этом лучи приходят в место приёма по сильно отличающимся траек­ ториям. В такой более сложной модели распространения при

передаче отдельных импульсов можно обнаружить новую осо­ бенность распространения радиоволн. В зависимости от числа лучей для данных условий распространения на магистрали каждому переданному импульсу будет соответствовать не­ сколько принятых импульсов. Это может приводить к значи­ тельному искажению передаваемых сообщений.

Величина запаздывания сигнала одного луча относительно

другого была определена на некоторых магистралях экспери­ ментально.

6

Искажения сигналов, имеющие место на реальных линиях

связи, дают основания полагать, что для хорошего отображе­ ния действительного явления необходима ещё более сложная модель распространения радиоволн. Высоты отражающих слоёв,

чей также непрерывно изменяется по случайному закону. По­ скольку условия распространения зависят от частоты, то прш

передаче сложных сигналов, спектр которых состоит из боль­ шого числа частот, создаются благоприятные условия для изби­ рательных замираний сравнительно близких частот.

Реальные условия распространения радиоволн лучшим об­

простая модель достаточно хорошо отображает реальные усло­ вия. К такой упрощённой модели распространения приходится прибегать ещё потому, что анализ устойчивости, одновременно учитывающий замирания уровней сигналов и переменные ве­ личины запаздывания, сложен. Поэтому принято делить зада­ чу определения устойчивости на части. В одном случае опреде­ ляется устойчивость сигналов, уровень которых подвержен за­

мираниям, при этом учитывается влияние помех, в другом слу­

чае определяется устойчивость сигналов под влиянием случай­

ных изменений запаздывания, при этом обычно не учитывается

влияние помех. В этой работе будут рассмотрены главным об­ разом вопросы, связанные с устойчивостью сигналов, уровень которых подвержен замираниям, и учтено влияние помех.

2. Особенности распространения, которые необходимо учитывать при разнесённом приёме

Кроме случайных изменений уровня сигнала и величины запаздывания сигнала, на трассе между передающим и приём­ ным устройствами при разнесённом приёме необходимо иметь в виду особенности распространения коротких радиоволн, ха­ рактерные только для разнесённого приёма и различные при

разных способах осуществления разнесённого приёма. Напри­

мер, для оценки пространственного и поляризационного разно­ са, надо знать, насколько независимо изменяются уровни сиг­ налов на выходе антенн, одновременно работающих для обес­ печения одного канала связи разнесённого приёма. В случае частотного разноса необходимо знать степень независимости сигналов в каждом из разнесённых по частоте каналов. При временном разносе (передаче сигналов с повторением через определённый интервал времени) важно определить тот интер­ вал времени, через который нужно произвести повторение с тем,

7

чтобы сообщения, не принятые из-за уменьшения уровня сиг­ нала, после повторения не пришлись бы на один и тот же про­ вал в уровне сигнала.

Таким образом, для определения качества работы коротко­ волновой линии радиосвязи с учётом особенностей разнесённо­ го приёма необходимо дать количественную оценку таким яв­

лениям, как степень одновременности изменений уровня сигна­ ла при замираниях на выходе пространственно разнесённых антенн, степень одновременности замираний уровней сигналов, переданных на смежных частотах, и т. д. В дальнейшем будут изложены те методы, которые используются для количествен­ ной характеристики этих явлений.

3. Некоторые особенности помех на коротковолновых линиях радиосвязи

Приступая к количественной оценке качества канала ра­

диосвязи, следует иметь в виду некоторые особенности помех.

Коротковолновые линии радиосвязи страдают главным об­

разом от атмосферных помех и от помех со стороны других радиостанций. Это — известная классификация помех по харак­ теру их возникновения.

. Что касается характера воздействия помех на канал связи,

то различают помехи флуктуационные, импульсные и непре­ рывные (в виде несущей). Практика показывает, что на корот­

ких волнах приходится встречаться с помехами разного ха­ рактера.

Для выяснения характера воздействия помех на коротко­ волновый канал связи следует рассмотреть ряд случаев ис­

пользования этого канала.

• Средняя частота возникновения отдельных импульсов при атмосферных помехах изменяется в широких пределах, а эквива­ лентная полоса пропускания приёмного устройства в зависи­ мости от назначения канала связи также изменяется от сотни до

нескольких тысяч герц, поэтому атмосферная помеха может воздействовать как импульсная на приёмники с относительно широкой полосой и как флуктуационная на относительно узко­ полосные приёмники.

Помеха соседней по частоте станции, передачи которой носят характер телеграфных посылок, при расположении этого кана­ ла помехи за полосой пропускания используемого канала мо­ жет быть импульсного характера. Помехи от телефонных пере­

датчиков чаще всего проявляются как непрерывные помехи. Кроме указанных особенностей помех, следует ещё учиты­

вать особенность, связанную с разнесённым приёмом, а именно:

степень взаимосвязи (корреляции) между мгновенными значе­

ниями уровня помех, например, на выходе разнесённых антенн. Мгновенные значения уровня помех при разнесённом приёме,

8

очевидно, слабо коррелированы в случае помех соседних по ча­ стоте станций. Это косвенно подтверждается измерениями вза­ имосвязи при разнесённом приёме для полезных сигналов. Что касается атмосферных помех, источником которых не являются местные грозы, то надо полагать, что взаимосвязь между мгно­ венными значениями уровня помехи при разнесённом приёме также будет слабой, однако экспериментальных данных такого характера в настоящее время нет.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

КОРОТКИХ РАДИОВОЛН

1. Замирание уровня сигнала

Для количественной оценки изменений уровней коротковол­

новых сигналов приходится пользоваться статистическими ме­ тодами. Обычно замирание уровня сигнала характеризуется

графиком, на оси ординат которого отложен процент того вре­ мени, когда уровень находится^ ниже заданной величины, а по оси абсцисс — эта заданная величина сигнала. Кроме того, для характеристики скорости изменения уровня при замирании даётся среднее количество спаданий уровня ниже допустимого значения в единицу времени (одну минуту).

Рисунок 1 приведён с целью иллюстрации методики опреде­ ления по экспериментальным данным процента времени, в те­

чение которого случайная величина находится ниже допусти­ мого порогового значения. Подсчёт этого процента времени (Ва ) производится по формуле

(смысл обозначений к ф-ле (1) ясен из рис. 1).

На рис. 1 показано, что время, в течение которого случайная величина находится ниже порогового значения, и время, в те­ чение которого случайная величина находится выше порогового

значения, в сумме образуют весь интервал времени, в течение

которого производилось измерение. Поэтому, если определена одна величина процента времени, то становится известной дру­ гая.

Получение точек для графика зависимости процента време­ ни, в течение которого уровень случайной величины лежит выше порогового значения, может быть автоматизировано с помощью

устройства, блок-схема которого приведена на рис. 2. Устройство состоит из системы одинарного и разнесённого

приёма, причём выбор сигнала с большим уровнем при разне­

9

сенном приёме осуществляется за счёт работы детекторов на общую нагрузку. Работа схемы выбора сигналов за счёт общей

нагрузки детекторов рассмотрена ниже.

Кроме приёмников, установка содержит счётный механизм.

Рис. 1. Осциллограммы сигнала с интервалами времени, в течение которых уровень сигнала в а раз меньше среднего значения

в котором за сеанс работы определяется время, в течение кото­ рого уровень превышает пороговое значение и число случаев,

когда такое превышение имело место. Общая продолжитель­ ность сеанса (около десяти минут) определяется специальным часовым механизмом.

Выделение интервалов времени, показанных на рис. 1, по­ лучается за счёт того, что устройство срабатывает от одной и

10