2570

1.2.Модулированные сигналы

Всистемах связи в качестве переносчика могут использоваться синусоидальные колебания высокой частоты, периодические последовательности импульсов и даже некоторые случайные процессы.

Модуляция гармонического высокочастотного сигнала

Независимо от вида сообщения, любой сигнал, поступающий в канал связи, получается путем модуляции. Для пояснения процесса модуляции

выберем в качестве переносчика колебание высокой частоты

вида

f (t) U0 cos( 0t 0),

где U0 - амплитуда;

0 - несущая частота;

0 - начальная фаза,

Для немодулированного колебания амплитуда, частота и фаза постоянны. Они известны заранее, поэтому немодулированный переносчик не несет информации.

Модуляция заключается в том, что один из параметров переносчика – амплитуда U0 , частота 0 или фаза 0 изменяется под действием первичного сигнала u(t), однозначно отображающего сообщение. Каждый из этих параметров можно промодулировать и получить соответственно амплитудную модуляцию (AM), частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ). При этом модулируемый параметр будет иметь приращение, пропорциональное величине первичного сигнала u(t):

Независимо от вида модуляции процесс модуляции можно представить в виде произведения несущего колебания f(t) на модулирующую функцию, представляющую собой первичный сигнал u(t), т.е. uc (t) f (t) u(t) .

11

1.3.Помехи в каналах связи

Вреальных каналах связи сигналы при передаче искажаются, что приводит к воспроизведению сообщения на приемном конце с некоторой ошибкой. В общем случае это ведет к понижению верности и скорости передачи. Причиной этому являются искажения, вносимые caмим каналом, случайные помехи, воздействующие на сигнал в линии связи, а также случайные изменения параметров самого канала.

Искажения, вносимые каналом, могут быть линейными и нелинейными. Они устраняются путем соответствующей коррекции характеристик канала.

Вотличие от искажений помехи носят случайный характер. Они заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Помехи в канале связи подразделяются на внутренние и внешние. Источником внутренних помех является тепловое хаотическое движение электронов в лампах, полупроводниковых приборах, электрических цепях и т.д.

К внешним помехам относятся атмосферные, станционные, индустриальные, космические и другие помехи. В радиоканалах наиболее распространенными являются атмосферные помехи. Энергия этих помех в основном сосредоточена в области средних и длинных волн. Станционные помехи обусловлены нарушениями распределения рабочих частот, плохой фильтрацией гармоник сигнала, нелинейными процессами в аппаратуре, ведущими к перекрестным искажениям и т.д. Индустриальные помехи создаются линиями электропередачи, генераторами, системами зажигания двигателей и др. Космические помехи создаются электромагнитными процессами, происходящими в Галактике, на Солнце и других внеземных объектах. Эти помехи особенно сказываются в диапазоне УКВ до нескольких ГГц, после чего их интенсивность резко убывает.

Огромное разнообразие источников приводит к тому, что структура и вероятностные характеристики помех существенно отличаются. Тем не менее, по характеру спектра все помехи в каналах

12

связи можно разделить на флуктуационные, сосредоточенные и импульсные.

Флуктуационная помеха является случайным процессом, обладающим практически равномерным энергетическим спектром. Эта помеха имеет место во всех реальных каналах связи. Примером флуктуационной помехи являются внутренние шумы элементов аппаратуры связи, космические шумы и некоторые виды атмосферных и индустриальных помех. Ширина спектра флуктуационных помех много больше спектра передаваемого сигнала.

Сосредоточенная помеха имеет энергетический спектр более узкий или такой же, как у сигнала. Она может создаваться посторонними средствами связи и другими промышленными объектами. Как правило, сосредоточенные помехи представляют собой модулированные колебания. Этот вид помех особенно сильно проявляется в каналах радиосвязи.

Импульсная помеха представляет собой случайные или регулярные последовательности импульсов большой скважности. Длительность таких импульсов меньше длительности элементарного сигнала. Переходные явления от воздействия импульсов в приемной аппаратуре обычно успевают затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К импульсным помехам относятся многие виды атмосферных и индустриальных помех. В зависимости от частоты следования импульсов они могут воздействовать на приемник с широкой полосой - как импульсная помеха, а на приемник с узкой полосой - как флуктуационная помеха.

Еще одним видом помех является флуктуация параметров радиоканала. Случайные изменения его параметров приводят к непостоянству коэффициента передачи и времени прохождения сигналов по каналу связи, а также к явлению многолучевого распространения радиоволн.

Все перечисленные выше возмущения обязательно проявляются в виде помехи в той или иной мере при передаче сигналов.

Независимо от вида возмущений в канале связи, его воздействие на сигнал можно представить в виде оператора x (u, ).

13

Если возмущение, действующее в канале связи, складывается с сигналом, то это аддитивная помеха. К ней относятся тепловые шумы, атмосферные, космические, промышленные и станционные помехи.

Аддитивная помеха воздействует на вход приемника независимо от сигнала и проявляется также при отсутствии сигнала. В этом случае оператор преобразуется в сумму x u . Аддитивную

помеху в инженерной практике часто называют шумом.

Если же возмущение непосредственно связано с прохождением сигнала в канале связи, то оно называется мультипликативной помехой. Эта помеха перемножается с сигналом, а при его отсутствии никак не проявляется на входе приемника. При этом оператор преобразуется в произведение x u a , где a -

коэффициент передачи канала связи, изменяющийся случайным образом во времени.

Мультипликативные помехи характерны для каналов радиосвязи. Они возникают в результате многолучевого распространения радиоволн, их интерференции в точке приема, а также в результате нерегулярных изменений параметров среды распространения радиоволн (высоты и толщины слоев тропосферы, электронной концентрации и т.п.).

Врезультате многолучевости распространения радиоволн амплитуда и фаза сигнала медленно, по сравнению с собственными колебаниями, изменяется. Это изменение можно представить как процесс модуляции в виде произведения модулируемой и модулирующей функций.

Мультипликативная помеха может быть также результатом проявления нелинейных свойств отдельных элементов тракта радиосвязи, в которых одновременно действуют сигнал и помеха.

Вканалах радиосвязи имеют место как аддитивные, так и мультипликативные помехи. Поэтому сигнал в канале связи может быть представлен в виде

к

x(t) ai (t)At i (t) i (t),

i 1

14

где ai (t) - коэффициент передачи канала радиосвязи; - передаваемый сигнал;

i (t) - время запаздывания сигнала i - го луча;

i (t) - аддитивная помеха;

к- число лучей.

Канал связи, параметры a и которого неизменны во времени, называется каналом с постоянными параметрами. Таких каналов крайне мало. К ним относятся проводные каналы связи и каналы радиосвязи УКВ прямой видимости .

Во всех же других каналах параметры a и непрерывно меняются случайным образом. Такие каналы радиосвязи называются кaнaлaми с переменными параметрами.

Случайные изменения параметров a и приводят к непрерывному изменению уровня принимаемого сигнала, которое называется замираниями или федингами. Замирания обусловлены интерференцией в точке приема многих лучей, прошедших различные пути в результате многократного отражения радиоволн от различных слоев атмосферы.

Нерегулярный характер изменения высоты и толщины этих слоев, а также их электронной концентрации приводит к случайным изменениям амплитуд и фаз отдельных лучей на входе приемника. В итоге, результирующий сигнал подвержен замираниям по случайному закону.

Кроме интерференционных замираний наблюдаются поляризационные замирания, обусловленные вращением плоскости поляризации волны под действием магнитного поля Земли.

В зависимости от ширины спектра сигнала и свойств среды распространения различают гладкие и селективные замирания. В свою очередь замирания могут быть медленными и быстрыми.

Когда взаимное запаздывание приходящих лучей соизмеримо с длительностью элемента сигнала, явление многолучевого распространения вызывает не только замирания сигнала, но и наложение соседних элементов сигнала друг на друга. Это явление называется радиоэхо, а запаздывающий луч - эхо-с и г н а л о м.

15

Медленные изменения параметра ai (t), приводящие к медленным замираниям, вызываются суточными и сезонными изменениями состояния тропосферы и ионосферы.

Быстрые замирания обусловлены, главным образом, многолучевым распространением радиоволн.

Типичными представителями каналов с переменными параметрами являются коротковолновые каналы радиосвязи, а также УКВ-каналы тропосферной, ионосферной и метеорной радиосвязи.

1.4.Общая характеристика помех в каналах связи

Вканалах связи передаваемый сигнал искажается как самим каналом, так и помехами, воздействующими на него. В результате на приемной стороне переданный сигнал воспроизводится с некоторой ошибкой.

Канал связи вносит линейные и нелинейные искажения. Причины этих искажений заранее известны, поэтому их можно устранить соответствующей коррекцией. В отличие от искажений помехи, действующие в канале, носят случайный характер и их полностью устранить невозможно.

Помеха представляет собой некоторое воздействие на передаваемый сигнал. Природа помех может быть самой различной.

Раннее уже отмечалось, что все виды помех подразделяются на аддитивные и мультипликативные. В данном модуле рассматриваются только аддитивные помехи и основные методы борьбы с ними.

К аддитивным помехам относится обширный класс помех, различающихся по своим характеристикам и причинам, их вызывающим.

Каждый вид помех имеет свои отличительные характеристики, что объясняется различными причинами их возникновения.

Внешние помехи разделяются на естественные и искусственные. К естественным относятся атмосферные, промышленные, космические и другие внеземные помехи. Промышленные или индустриальные помехи условно включены в раздел естественных

16

помех в силу широкого распространения электроустановок в народном хозяйстве, на транспорте и т. д. Вокруг сосредоточения промышленных установок, порой даже на значительных расстояниях от них наблюдается шумовой фон со специфическими устойчивыми характеристиками. Промышленные помехи можно отнести также и к искусственным помехам.

К искусственным помехам принято относить помехи, которые создаются радиостанциями и радиоэлектронными средствами. Их подразделяют на непреднамеренные (станционные) и преднамеренные (специально организованные).

Рис. 1.2

По месту возникновения помехи подразделяются на внутренние и внешние. Кроме внешних помех в любом диапазоне частот, особенно на УКВ, имеют место внутренние помехи, представляющие собой шумы самой аппаратуры, которые вызваны хаотическим движением носителей заряда в элементах приемных устройств.

Таким образом, мощность помех на входе приемного устройства представляет собой сумму мощностей внешних помех Рп и внутренних помех (шумов) Рш, которую можно представить в виде

n m

Pnвв Pni Pшj . i 1 j 1

Все виды помех носят случайный характер. Исключение могут составить лишь преднамеренные помехи. Тем не менее, несмотря на случайный характер помех, они имеют устойчивые статистические характеристики. Это дает возможность прогнозировать средний

17

уровень помех в зависимости от диапазона частот, местоположения приемного устройства и других условий.

Помехи по своей статистической структуре и частотно-вре- менным свойствам подразделяются на флуктуационные, сосредо-

точенные и импульсные.

Наиболее изученной и представляющей наибольший интерес является флуктуационная помеха. Она имеет место практически во всех каналах связи. Интересно отметить, что большое число различных помех, каждая из которых может быть не флуктуационной, даст флуктуационную помеху, которая будет представлять собой случайный процесс с нормальным распределением. Кроме того, многие нефлуктуационные помехи, пройдя через тракт приемного устройства, приближаются по своим свойствам к флуктуационной помехе. Характерной особенностью флуктуационной помехи является то, что ширина ее спектра намного больше полосы канала ( Fш Fk ), что позволяет в пределах Fk считать спектральную плотность помехи постоянной (N0 = const), а для нахождения мощности помехи пользоваться формулой

Pn N0 Fk .

Шумовая температура, пересчитанная в мощность шумов, с учетом эффективной полосы пропускания приемника равна

Pш kTш Fэф ,

где k — 1,38·102 Вт/(Гц·град) — постоянная Больцмана; Тш — абсолютная температура, К;

представителями флуктуационных помех являются внутренние шумы приемника, космические помехи и некоторые виды атмосферных и промышленных помех.

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи, энергия которых сосредоточена в некоторой полосе частот. Сосредоточенные по спектру помехи создаются различными радиостанциями, радиоэлектронными средствами и электроустановками, а

18

также возникают внутри самого канала связи. Как правило, это синусоидальные модулированные колебания вида

k

un (t) Uni (t)cos( nit ni ).

i 1

Колебания вида (смотри аналитическое выражение) могут быть непрерывными, если они создаются сигналами посторонних вещательных и телевизионных систем, или дискретными, если они являются сигналами радиотелеграфных радиостанций или систем передачи данных. При большой загрузке канала радиосвязи сосредоточенными помехами их статистические характеристики приближаются к свойствам флуктуационной помехи.

Сосредоточенная помеха в диапазоне KB является основной помехой, которая определяет помехоустойчивость радиосвязи. Импульсными или сосредоточенными по времени помехами называются помехи в виде отдельных импульсов или импульсных последовательностей. При этом длительность импульсов помехи Тп намного меньше длительности сигнала Тс(Tп<<Tс), что позволяет установиться переходным процессам в радиоприемнике от импульсной помехи в промежутке между импульсами. Импульсные помехи представляют собой дискретный нерегулярный процесс в виде случайно следующих по времени импульсов различной амплитуды. Статистические свойства импульсных помех описываются распределением вероятностей амплитуд импульсов, их длительностей и временных интервалов между ними.

К источникам импульсных помех относятся атмосферные и промышленные помехи, а также помехи от радиолокационных станций.

Интересно отметить, что одна и та же помеха приемником с широкой полосой пропускания может восприниматься как импульсная, а приемником с узкой полосой пропускания — как флуктуационная.

1.5.Методы борьбы с помехами

Для борьбы с помехами необходимо принимать специальные меры, направленные на снижение потерь информации при ее передаче по каналам радиосвязи. При борьбе с помехами предполагается, с

19

одной стороны, такой выбор характеристик передающих и приемных устройств, которые позволили бы повысить отношение сигнал/помеха на входе решающей схемы приемника. При этом очень важным является выбор оптимальной структуры сигналов и оптимальный их прием.

С другой стороны, при борьбе с помехами необходимо проводить организационно-технические мероприятия, которые позволили бы исключить или снизить влияние помех на прием сигналов.

Ниже рассмотрим лишь методы борьбы с помехами, связанные с выбором характеристик передающих и приемных устройств, а также

свыбором структуры сигналов.

Косновным методам борьбы с помехами можно отнести :

—снижение уровня помех в полосе пропускания приемника;

—увеличение энергии сигнала;

—оптимальная обработка сигналов в приемнике;

—выбор оптимальной структуры сигнала;

—применение сложных сигналов;

—кодирование сигналов с целью повышения их помехоустойчивости;

—повторение передачи сигналов.

Снижение уровня помех в полосе пропускания приемника достигается рациональным выбором рабочего диапазона частот, в котором помехи минимальны. При работе в диапазоне УКВ, где относительно легко реализуются антенны с узкой диаграммой направленности, кроме отмеченной меры возможно также снижение уровня помех за счет ориентации антенн строго на корреспондентов.

Увеличения энергии сигналов можно достичь путем увеличения длительности сигнала или путем повышения средней мощности излучаемого сигнала. Увеличить длительность сигнала можно за счет снижения скорости манипуляции при передаче дискретных сигналов. Повышение же средней мощности излучаемого сигнала зависит от ряда показателей передающего устройства.

Известно [10], что мощность излучения передатчика определяется выражением

Pизл=PпрдGпрд прд,

20