2570

где Pпрд—мощность передатчика;

Gпрд— коэффициент усиления передающей антенны;прд — коэффициент полезного действия фидерного тракта.

Из аналитического выражения следует, что для повышения Ризл необходимо прежде всего повышать Pпрд и Gпрд. На низких частотах, где трудно создать узконаправленные антенны, необходимо повышать Pпрд. На высоких частотах целесообразно повышать Pпрд путем создания узконаправленных антенн с большим коэффициентом усиления. В диапазоне УКВ величина Gпрд может составлять 70 дБ и более.

Оптимальная обработка сигнала в приемнике может осуществляться двумя способами:

—компенсацией помех;

—оптимальной фильтрацией сигнала.

При реализации способа компенсации помех нужно выделить из смеси сигнала и помехи только помеху, а затем вычесть ее из этой смеси спустя некоторое время. Эффективность этого способа высока в случае действия в канале регулярных помех, параметры которых можно определить при отсутствии сигнала. Если же помехи носят случайный характер, то выделение помехи из смеси ее с сигналом тем труднее, чем меньше они отличаются по своей структуре. В случае существенного различия в структуре сигнала и помехи, выделение последней или создание ее копии упрощается. Сказанное прежде всего относится к импульсным или сосредоточенным помехам.

Оптимальная фильтрация дискретных сигналов осуществляется либо согласованным фильтром, либо коррелятором. Оптимальный приемник дискретных сигналов осуществляет две операции: фильтрацию и принятие решения о переданном сигнале.

При приеме дискретных сигналов принимается решение о наличии одного сигнала из заданного множества по величине и форме отклика фильтра или коррелятора. Существенным при этом является знание структуры помехи и на этой основе правильный выбор формы сигнала.

Согласованный фильтр (СФ) для входного сигнала x(t)должен представлять собой четырехполюсник, у которого отклик

21

x*(t)совпадает с комплексно-сопряженным спектром входного сигнала (рис. 4.2). Именно это обстоятельство и позволяет получить максимальный отклик на выходе согласованного фильтра только лишь в случае прихода на его вход сигнала x(t).Помеха же, даже близкая по структуре к сигналу, дает отклик СФ меньше.

Рис. 1.3

Регистрация дискретных сигналов осуществляется сравнением уровня отклика на выходе согласованного фильтра с некоторым порогом, определяемым уровнем помех.

Втех случаях, когда СФ практически трудно реализовать, применяют фильтры, согласованные с сигналом только по полосе. Такие фильтры называют квазиоптимальными. Оптимальная полоса для различной формы импульсов вычисляется довольно просто. В

[2]показано, что отношение сигнал/помеха на выходе квазиоптимального фильтра по сравнению с согласованным фильтром меньше примерно на 15-20%.

При корреляционном приеме (рис. 1.3.) необходимо принимаемую смесь сигнала и помехи перемножить с опорным напряжением, представляющим собой копию переданного сигнала. Затем в некоторый момент времени следует измерить значение функции взаимной корреляции принятого колебания и опорного сигнала.

Взависимости от выбранного метода регистрации выходного сигнала корреляционный прием может быть когерентным и некогерентным. Когерентный прием требует жесткой синхронизации, и в частности, точного знания момента снятия отсчета выходного сигнала.

Если у передаваемого колебания частота и фаза известны, то в когерентном приемнике используется синхронный детектор, в котором опорное колебание синхронно и синфазно перемножается с колебанием несущей частоты сигнала. На выходе перемножителя

22

устанавливается интегратор, который чаще всего представляет собой фильтр нижних частот. Фильтр выделяет колебание, практически совпадающее с огибающей передаваемого высокочастотного сигнала.

Вслучае некогерентного приема фаза принимаемого сигнала неизвестна. В связи с этим синхронный детектор можно заменить линейным детектором огибающей (ЛДО). С выхода ЛДО сигнал поступает на интегратор, а затем на решающее устройство РУ.

Отношение сигнал/помеха на выходе корреляционного приемника при когерентной обработке в два раза больше, чем при некогерентной [2].

Оптимальная фильтрация непрерывных сигналов состоит в воспроизведении с максимальной точностью формы переданного сигнала. В ряде случаев, в отличие от оптимальной фильтрации дискретных сигналов, оптимальная фильтрация непрерывных сигналов, и прежде всего телефонных, не требует операции принятия решения о передаваемом сигнале, а роль решающей схемы выполняет сам получатель информации.

Вобщем же случае решение задачи оптимальной фильтрации непрерывных сигналов основывается на теории Колмогорова-Винера [2, 3]. Эта теория базируется на предположениях, что сигнал и помеха есть стационарные случайные процессы, операция фильтрации есть линейная операция, а критерием оптимальности является минимум среднеквадратической ошибки.

Задача оптимальной фильтрации сводится к тому, чтобы найти оптимальный линейный фильтр с точки зрения его передаточной функции по отношению к сигналу. Такой фильтр должен как можно эффективней отделить сигнал от помехи.

Эффект фильтрации можно улучшить, если применить предыскажение передаваемого сигнала с помощью передающего фильтра. На приемной стороне характеристику фильтра выбирают такой, чтобы она с учетом характеристики передающего фильтра позволяла получить наименьшую среднеквадратическую ошибку.

Выбор структуры сигнала существенно влияет на помехоустойчивость приема. Рассмотренная выше оптимальная фильтрация показывает, насколько важно правильно выбрать структуру сигнала

23

при заданном виде помех в канале связи. Оптимальную структуру будут иметь те сигналы, у которых спектральные составляющие колебаний имеют максимальное значение на тех частотах, где помеха минимальна. Не менее важное значение при выборе оптимальной структуры сигналов имеют их взаимокорреляционные свойства.

Для повышения верности передаваемых сообщений может применяться помехоустойчивое кодирование сигналов. Оно предполагает использование таких кодов, которые корректируют ошибки, вызванные наложением помех на сигнал. Применение помехоустойчивых кодов ведет к усложнению приемо-передающих устройств из-за необходимости иметь кодирующую и декодирующею аппаратуру.

Многократная передача одного и того же сигнала также позволяет повысить верность приема сообщений. Этот метод борьбы с 'помехами реализуется несколькими способами.

Сигнал может передаваться по параллельным каналам, что практически исключает вероятность поражения одного и того же элемента сигнала помехой, так как помехи в этих каналах некоррелированны.

Для повышения верности передачи один и тот же сигнал может многократно повторяться. В силу случайности действия помех при правильно выбранных интервалах передачи вероятность одинакового искажения сигнала крайне мала.

И, наконец, для борьбы с помехами могут применяться системы с обратной связью. Если в результате анализа принятого сигнала есть сомнение относительно того, какой сигнал передавался, принимается решение о повторной передаче сигнала.

1.6. Борьба с флуктуационными помехами

Борьба с флуктуационными помехами (шумами) является одной из центральных задач обеспечения помехоустойчивости систем радиосвязи. Флуктуационные помехи всегда присутствуют в канале радиосвязи и их невозможно полностью подавить из-за их физической природы. Выбросы флуктуационной помехи могут иметь

24

значительную величину и ее порой трудно отличать от сигнала, даже в его отсутствие. С другой стороны, интерференция сигнала и помехи может привести к тому, что суммарное колебание окажется ниже порога регистрации и сигнал не будет зафиксирован.

Для борьбы с флуктуационными помехами может использоваться любой из методов, рассмотренных ранее. Однако ниже остановимся главным образом на тех методах борьбы с флуктуационными помехами, которые позволяют увеличить среднюю мощность сигнала, поскольку качество связи определяется отношением средней мощности сигнала к мощности шума в полосе пропускания приемника.

Известно, что при передаче непрерывных сигналов средняя мощность передатчика оказывается значительно ниже максимальной. Самым очевидным способом повышения средней мощности сигнала в этом случае является сокращение динамического диапазона сигнала.

В реальных средствах радиосвязи наиболее распространенным методом борьбы с флуктуационными помехами является фильтрация сигналов.

1.7. Метод борьбы с эхо-сигналом

Механизм образования эхо-сигналов иллюстрируется рис. 1.4. Эхо-сигналами называются такие вторичные сигналы, которые запаздывают в точке приема относительно прямого сигнала на время, соизмеримое с длительностью элемента сигнала или больше него.

Эхо, обусловленное многолучевым распространением радиоволн, принято называть ближним. Оно наблюдается на трассах протяженностью 1500—8000 км. Запаздывание вторичного луча при этом может достигать единиц миллисекунд.

На более протяженных трассах иногда наблюдается так называемое дальнее (кругосветное) эхо. Оно обусловлено тем, что в точку приема кроме прямого луча приходят радиоволны, распространяющиеся по дуге большого круга, но в обратном направлении (обратное эхо), а также радиоволны, обошедшие один или

25

несколько раз Землю в том же направлении, что и прямой луч (прямое эхо). Запаздывание эхо-сигнала может достигать 1,3 с.

Интенсивность прямого сигнала обычно на 10—40 дБ превышает уровень эхо-сигнала, однако влияние последних усиливается замираниями. В условиях замираний эхо-сигналы вызывают сильные переменные преобладания, слияние и удвоение числа элементарных посылок, а иногда и повторение целых кодограмм, что существенно снижает помехоустойчивость и достоверность приема при данной пропускной способности.

Рис. 1.4. Метод борьбы с эхо-сигналом

Экспериментально установлено, что прямое кругосветное эхо практически не возникает при использовании для связи рабочих частот вне диапазона 12—15 МГц (особенно в ночные часы летом). Возникновение обратного кругосветного эха исключается выбором рабочих частот вне диапазона 15—25 МГц (особенно в дневное время осенью, зимой и весной) и применением направленных антенн.

26

2.СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ

2.1.Особенности коротковолновой радиосвязи

Короткие волны занимают частотный диапазон от 3 до 30 МГц ( =100—10 м). Основное свойство их состоит в том, что они слабо поглощаются нижними слоями ионосферы (слоем Д, Е) и хорошо отражаются от ее верхних слоев, находящихся на высоте 300—500 км. Это свойство коротких волн позволяет получить прямую связь с любой точкой земного шара при относительно небольших мощностях передатчика. Отсюда следует и второе преимущество систем коротковолновой радиосвязи — малая стоимость канала связи по сравнению с другими системами дальней радиосвязи, требующими промежуточные ретрансляционные пункты. Достоинства коротких волн послужили основанием для их широкого использования в радиосвязи.

Однако короткие волны имеют и ряд недостатков, которые следует учитывать при проектировании систем KB радиосвязи.

Один из недостатков состоит в существенных колебаниях мощности принимаемого сигнала в зависимости от времени суток и года, активности Солнца и географического местоположения линии радиосвязи.

В числе других недостатков следует отметить многолучевое распространение радиоволн, вызывающее замирания сигналов на входе приемника, а также непостоянный уровень помех, претерпевающий суточные и сезонные изменения и зависящий от географического положения радиоприемного устройства.

К перечисленным недостаткам можно отнести еще один косвенный недостаток — большая загруженность коротковолнового диапазона действующими радиостанциями, что приводит к появлению взаимных помех между ними, а следовательно, влияет на надежность ведения связи.

Рассмотрим, какие меры следует принимать в системах KB радиосвязи для борьбы с указанными недостатками.

Для борьбы с колебаниями мощности принимаемого сигнала можно использовать запас мощности передатчика. Однако, поскольку

27

затраты на передающие устройства сильно возрастают с увеличением мощности, то общую стоимость системы KB радиосвязи можно снизить путем применения высокочувствительного приемника с автоматической регулировкой усиления. Так как условия прохождения радиоволн существенно зависят от времени суток и сезона, что влияет на уровень мощности принимаемого сигнала, то необходимо иметь значительный запас рабочих частот, варьируя которыми можно было бы поддерживать непрерывную устойчивую радиосвязь. Выбор оптимальных рабочих частот изложен в документах МККР. Для формирования же большого количества рабочих частот следует применять специальные возбудители (гетеродины) с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты.

Для борьбы с замираниями сигналов на входе приемника можно использовать один из способов разнесенного приема или другой метод борьбы с замираниями.

Для борьбы с изменяющимся уровнем помех можно использовать адаптивные системы радиосвязи, помехоустойчивые методы приема и обработки сигналов.

Что касается борьбы со взаимными помехами, вследствие перегруженности КВ диапазона, то здесь также следует применять ряд мер, которые были бы направлены на максимальную экономию частотного диапазона. Поэтому нужно отдавать предпочтение методам передачи, которые требуют меньшей полосы частот. Необходимо принимать меры к подавлению бесполезных и побочных излучений. Этого можно добиться путем уменьшения мощности передатчика при хорошем прохождении радиоволн, а также путем подавления на выходе передатчика гармоник и комбинационных составляющих. Кроме того, системы KB радиосвязи должны иметь высокую стабильность частоты передатчика и гетеродина приемника для более рационального использования отведенного им диапазона рабочих частот.

28

ималых отношениях сигнала к шуму. Это позволило осуществить автоматический прием сигналов на регистрирующую аппаратуру. Для реализации ЧТ необходима высокая стабильность частот передатчика

игетеродина приемника.

Двойное частотное телеграфирование. При ДЧТ используются четыре значения частоты, каждая из которых соответствует определенному положению телеграфных аппаратов двух независимых корреспондентов. При этом для обоих передаваемых сообщений используется полная мощность передатчика. Однако в отличие от ЧТ этот метод требует расширения полосы частот в два раза, что ухудшает на приемном конце отношение сигнала к шуму примерно на 3 дБ. Передатчик должен иметь специальный шифратор, а приемник — дешифратор сигналов ДЧТ.

Относительное фазовое телеграфирование. Этот метод является весьма перспективным, так как он позволяет реализовать преимущества частотного телеграфирования при полосе частот сигнала практически такой же, как и при амплитудном телеграфировании. Передатчик и приемник сигналов ОФТ должны иметь специальные устройства модуляции и демодуляции сигналов. Для этого метода работы необходима высокая стабильность частоты передатчика и гетеродина приемника или автономная система автоподстройки частоты на приемной стороне.

Непрерывные сигналы

Амплитудная модуляция (А3). Этот старейший метод применяется в диапазоне KB лишь для радиовещания. Он позволяет применить простейшие передатчики и приемники, но не позволяет эффективно использовать мощность передатчика и полосу частот. Поэтому в последние годы этот вид модуляции заменяется однополосной модуляцией.

Однополосная модуляция с одной боковой полосой (А3Н). Это единственный вид управления колебаниями, при котором ширина спектра радиосигнала равна ширине спектра речевого сигнала, что позволяет весьма экономно использовать диапазон частот, отводимый для связи. Передатчик должен содержать специальные

30