2.8 Адаптация радиоприемных устройств и радиолиний к электромагнитной обстановке
2.8.1 Априорная неопределенность электромагнитной обстановки в радиолиниях
Совокупность излучений источников рабочих сигналов и помех в заданной области пространства образует электромагнитную обстановку (ЭМО). В реальных условиях электромагнитную обстановку – случайный многомерный процесс, развивающийся во времени и пространстве топографических координат. Различия параметров самих источников излучения и изменчивость условий распространения радиоволн приводят к тому, что помеховая обстановка в точке приема описывается нестационарными и существенно неоднородными в пространстве случайными процессами.
Методы оценивания и прогнозирования электромагнитной обстановки основываются на статистическом моделировании источников излучений, среды распространения и рецепторов. При этом в радиолиниях связи и вещания обычно используются модели с дифференциальным вкладом излучений источников, допускающие в отличие от интегральных моделей конструктивные упрощения. Особенно трудно моделировать электромагнитную обстановку на локальных объектах, так как она формируется внешними источниками, находящимися в дальней зоне излучения, и местными источниками в ближней зоне излучения причем сами помехи могут быть радиационными и кондуктивными, узкополосными и широкополосными.
Для электромагнитной обстановки (ЭМО) в точке приема характерна неполнота статистических сведений о помехах и сигналах. Эта неопределенность может быть параметрической, когда известен закон распределения, но информация о числовых значениях его параметров отсутствует, и непараметрической, когда неизвестен сам закон распределения.
Статистические задачи выделения сигналов на фоне электромагнитных помех (ЭМП) с априорной неопределенностью имеют практический интерес. Это диктуется необходимостью разработки алгоритмов построения РПрУ, работоспособных при неизвестных и изменяющихся во времени условиях приёма сигналов. Для решения подобных задач классические байесовские алгоритмы, использующие критерий минимума среднего риска, оказываются малопригодными, так как требуют априорного знания статистических свойств сигналов и помех, особенностей их взаимодействия в функциональных элементах РПрУ, а также потерь при ошибочных решениях.
В основе параметрических задач преодоления априорной неопределенности лежит ограничение класса допустимых распределений (функций правдоподобия) наблюдаемых суммарных выборок сигналов и помех. В задачах с непараметрической неопределенностью класс возможных распределений векторов сигналов и помех невозможно описать конечным числом параметров, что приводит к отличиям в методах решения таких задач.
2.8.2 Инвариантный прием сигналов
Инвариантность – свойство устойчивости аппаратуры системы к внешним воздействиям – в большинстве случаев к электромагнитным помехам. Характеристиками инвариантности к помехам, могут быть помехоустойчивость, скорость передачи, восприимчивость. Инвариантность часто характеризуется вероятностью ошибки p0 при помехах (t) данного вида
p0 = invar .
Потребность в инвариантных системах радиосвязи обусловлена необходимостью обеспечения заданного качества приема сообщений в каналах с переменными параметрами. При этом перед разработчиком возникает ряд вопросов: Можно ли построить инвариантную систему для помех любого вида? Какой ценой достигается инвариантность в каждом конкретном случае? Каковы возможности систем связи с сигналами различных классов и различными алгоритмами их обработки с точки зрения инвариантности? Сложность инвариантных методов обработки сигналов зависит от вида помех, свойств среды распространения, требований к достоверности принимаемых сообщений.
Рассмотрим прием сигналов при наличии в канале сосредоточенных помех (t) и гауссовых шумов. Инвариантность к сосредоточенным помехам может быть достигнута использованием широкополосных составных сигналов с базой БС » 1, и платой здесь служит расширение занимаемой полосы частот.
Вероятность ошибки определяется превышением сигнала над шумом
hС2 = БСPС/PШ.
Инвариантом к помехам (t) выступает функция p0(hС2, ).
При увеличении базы БС значения p0(hС2, ) приближаются к p0(hС2, 0) и можно говорить об инвариантности
p0(hС2) = invar .
Для оценки базы БС, необходимой для достижения требуемой степени инвариантности, следует установить зависимость помехоустойчивости от БС при наличии помех (t) по сравнению с их отсутствием. Проигрыш можно оценить коэффициентом
С = QC0 /(QC0 – Q C),
где QC0 – энергия сигнала, необходимая в отсутствие помех для обеспечения требуемого значения p0; Q C – уменьшение энергии сигнала на входе РПрУ, вызываемое противофазной сосредоточенной помехой. Можно показать, что
С 1/[1 – 0,75/(PП /PC )1/2 ln(БС + 1)/БС1/2].
Базу сигнала БС нельзя увеличивать беспредельно, так как это сопровождается усилением селективных замираний и ростом взаимных помех между радиолиниями.
Рассмотрим возможность построения РПрУ, инвариантного к неаддитивным помехам, например, в виде нестабильности задающего генератора, доплеровского сдвига частоты в космических каналах, вызывающих случайные отклонения частоты принимаемых колебаний от значения средней частоты С = 2fC. Сигнал на входе демодулятора
x(t) = UCm sin[(С + )t + ].
Если несущая частота точно неизвестна, следует применить автокорреляционный прием.
Применительно к двоичным сигналам фазоразностной модуляции первого порядка (ФРМ-1) алгоритм приема имеет вид
U
[x(t)]
=
xn(t)
xn-1(t)
dt,
(2.9)
где U [] = ± 1 — переданный информационный элемент; xn(t) и xn-1(t) — последовательные во времени посылки сигнала длительностью TC:
xn(t) = UCm sin[(С + )t + n], nTC t (n +1)TC;
xn-1(t) = UCm sin[(С + )t + n-1], (n – 1)TC t nTC.
При вычислении выходного напряжения коррелятора U [] учтем, что посылка xn-1(t) после совмещения ее во времени с посылкой xn(t) (с помощью линии задержки на время = TC) примет вид
xn(t) = UCm sin[(С + )(t + ) + n-1].
Тогда U [] 0,5 UCm TC cos (n – n-1 + ).
Следовательно, результат обработки сигнала зависит от случайного изменения частоты , и если > 0,5 TC, то в соответствии с (2.9) знак U [] изменяется и в фиксируемом сообщении произойдет ошибка. Поэтому для такой системы р0ФРМ-1 invar .
|
|
|
Рис. 2.4 – Структурная схема приемного устройства |
В системе с ФРМ-2 информация заложена во вторую разность фаз
2 = (n+1 – n ) – (n – n-1).
Структурная схема приемного решающего устройства – рис. 2.4. Отсчет напряжения на выходе интегратора пропорционален
cos(n – n-1) и sin(n – n-1);
остальные элементы схемы вычисляют значение cos2. Такой приемник реализует алгоритмы обработки трех последовательных посылок сигнала xn-1, xn, xn+1:
U [] = sign (XnXn-1 + YnYn-1),
Где
Xn
=
xn+1(t)
xn(t)
dt;
X
n-1
=
xn(t)
x
n-1(t)
dt;
Yn
=
xn+1(t)
x*n(t)
dt;
Y
n-1
=
xn(t)
x*n-1(t)
dt.
Здесь символ «*» означает преобразование Гильберта.
U [x(t)] = 0,5 UCm TC cos 2 = invar .
Плата за инвариантность – усложнение аппаратуры и снижение помехоустойчивости к аддитивным помехам.
2.8.3 Адаптивные системы радиосвязи. Адаптация – процесс изменения структуры системы радиосвязи или/и ее параметров на основе текущей информации об обстановке в канале с целью достижения требуемого качества приема сообщений при априорной неопределенности сведений о помехах в изменяющихся условиях работы. Адаптация обеспечивает расширение инвариантности системы связи к помехам. Пример адаптивной симплексной радиолинии показан на рис. 2.5.
|
|
|
Рис. 2.5 – Адаптивная симплексная радиолиния |
Процесс передачи сообщений – это последовательность преобразования сигналов, источника S(t) в радиопередатчике РПдУ1, среде распространения и радиоприемнике РПрУ2, описываемых соответствующими операторами 1, и 2. К получателю поступает
Ŝ(t) = 2 < {1 [S(t)]}
– оценка сигналов S(t) с учетом влияния помех n(t), нелинейности функциональных элементов канала, запаздывания исполнения команд управления, посылаемых со станции 2 на станцию 1 по обратному (вспомогательному – командному) каналу. Оператор среды — объективно независимый, и его влияние можно ослабить только целенаправленным изменением операторов 1 и 2. Сложность реализации этих операторов, обеспечивающих близость оценки Ŝ(t) к сигналу S(t), зависит от полноты совокупности сведений об операторе и степени их использования. Соответствующие функции выполняет анализатор помеховой обстановки (АПО), который оценивает параметры принимаемого колебания z(t) и формирует сигнал y(t), несущий сведения о помеховой обстановке. По сигналу y(t) управляющее устройство УУ2 вырабатывает сигналы управления РПрУ2 и командные сигналы (t) управления РПдУ1 посылаемые по командному (служебному) каналу. Решение о функционировании системы может выноситься на передающей (системы с информационной ОС) или на приемной (системы решающей ОС) стороне.
В диапазоне ВЧ получили распространение частотно-адаптивные радиолинии (ЧАР) с изменяющейся присвоенной частотой. С этой целью все множество рабочих частот разбивается на частотные группы (ЧГ), равноудаленные друг от друга. Обычно ЧАР службы связи и вещания имеют 8…10 таких групп по 5…10 рабочих частот в каждой. При этом характерны два режима функционирования ЧАР – смена частот в пределах частотной группы и смена самих ЧГ. Первый режим соответствует адаптации к быстрым замираниям и узкополосным помехам, второй – к медленным замираниям и широкополосным помехам.
Из всех известных алгоритмов функционирования ЧАР наибольшее распространение получил экстремально-пороговый алгоритм, который сводится к выбору частоты, на которой обеспечивается наибольшее среднее время работы при вероятности ошибки p0 p0Д. Для оценивания ЭМО в информационном канале в АПО используются автоматизированные панорамные РПрУ. Запаздывание исполнения команд управления и их искажение вызывают ошибки двух видов – переключение радиолинии на частоту, на которой не обеспечивается приведенное выше условие, что может сопровождаться появлением пакетов ошибок, и простой пригодного частотного канала, что снижает оперативность связи. Поэтому управление частотами целесообразно осуществлять по прогнозируемым значениям hС2, а в командном канале использовать помехоустойчивые коды.
Частотно-адаптивные радиолинии могут работать в автономном режиме и с централизованным управлением. Автономный режим усложняет процедуру присвоения частот при высокой засоренности диапазона станционными помехами, затрудняет обеспечение электромагнитную совместимость (ЭМС) с неадаптивными радиолиниями. Объединение нескольких ЧАР в группу, присвоение ей общей полосы частот и централизованное управление сменой частот в радиолиниях группы позволяют более экономно расходовать частотный ресурс и улучшают ЭМС с адаптивными радиолиниями. Во всех случаях в РПрУ должны осуществляться беспоисковое вхождение в связь и бесподстроечное ее ведение.
Адаптация в РПрУ. Функциональные элементы с адаптивным управлением в РПрУ: антенны с пространственной обработкой сигналов, компенсаторы помех в тракте радиочастоты и УПЧ, мажоритарные модуляторы составных сигналов, демодуляторы цифровых сигналов с робастными алгоритмами обработки.