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

вод, что для магистралей большой протяжённости для аппрокси­ мации экспериментальных кривых следует выбирать закон Рэ­

лея. Это означает, что вычисление процента времени (В), в те­

График, дающий зависимость (2), приведён на рис. 3. Та­ кую зависимость называют интегральным законом распреде­ ления уровней.

Метод оценки изменений уровня сигнала при замираниях,

который позволяет воспользоваться простой ф-лой (2) для ха­ рактеристики случайно изменяющейся величины, является ил-

12

люстрацией того, что алгебраические формулы могут служитр

для оценки случайных величин. В настоящее время в различных областях радиотехники широко используется раздел математи­ ки (теория вероятностей), в котором математические методы

распространены на операции со случайными величинами. При­

меняя терминологию теории вероятностей, говорят, что кривая рис. 3 показывает значения вероятности того, что случайная величина (уровень) будет принимать такие значения, которые меньше указанных на оси абсцисс.

Кроме рассмотренного интегрального распределения уров­ ней, приходится пользоваться дифференциальным распределе­

нием W (Uc), определяющим процент времени, в течение кото­ рого уровень находится внутри небольшого интервала значений

Распределение случайных изменений уровня сигнала в сред­ нем можно ещё характеризовать мощностью, развиваемой этим сигналом на нагрузке. В отличие от среднего значения (Uccp) такая характеристика в среднем называется среднеквадратич­ ным значением (UcrK).

Если воспользоваться соотношением (4) для распределения плотности вероятностей по закону Рэлея и выразить это распре­ деление через среднеквадратичное значение, то дифференциро­

График, приведённый на рис. 4, воспроизводит зависимость

(5). Формулы (2) и (5) в дальнейшем будут использованы для

оценки изменений уровня при замираниях и для оценки эффек гивности разнесённого приёма.

Рис. 4. Дифференциальное распределение Рэлея

2. Оценка взаимосвязи между изменениями уровней сигналов

При определении устойчивости линии радиосвязи возникает необходимость оценить взаимную связь между изменениями

уровней сигналов. Для повышения эффективности приёма не­ желательно, чтобы изменение уровня на выходе одной из ан­

тенн полностью повторялось на выходе другой, при этом отно­ шение изменений уровней сигналов относительно среднего зна­ чения на выходе каждой из антенн образовывало бы постоян­ ную величину, равную единице. Можно себе представить дру­ гой случай изменений уровней сигналов на выходе разнесён­

ных антенн, когда отношение изменений уровней сигналов от­ носительно среднего значения образует постоянную отрица­ тельную величину, равную минус единице.

В первом случае говорят, что корреляция (взаимосвязь) полная и коэффициент корреляции равен единице, во втором случае имеет место обратная корреляция и коэффициент кор­ реляции равен отрицательной единице. В случае отсутствия взаимосвязи между изменениями уровня на выходе антенн ко­

эффициент корреляции будет равен нулю, а наличие какой-либо взаимосвязи будет характеризоваться коэффициентом корреля­ ции, отличным от нуля и лежащим в пределах от —1 до +1.

14

Следовательно, коэффициент корреляции является количествен­ ной оценкой взаимосвязи между случайными величинами.

Рис. 5. Осциллограммы сигналов

Иногда достаточно получить грубую оценку влияния взаимо­ связи. Рассмотрим получение такой оценки влияния взаимо­ связи на примере.

Допустим, что из двух сигналов на выходе двух приёмных устройств, работающих от разнесённых антенн, образован новый сигнал, причём этот сигнал образован путём выбора из преж­ них двух наиболее сильного. На рис. 5 показан принцип образо­ вания нового сигнала. По этому принципу осуществляется вы­ бор сигналов при разнесённом приёме. На рис. 5а видно то время, в течение которого уровень сигнала ниже допустимого

15

( Ud ) значения; на рис. 56 приведены изменения уровней сиг­ налов на выходе каждого из приёмных устройств, питаемых от

разнесённых антенн, а на рис. 5в даётся изменение уровня сиг­ нала после выбора большего из двух сигналов и видно, что вре­ мя, в течение которого уровень сигнала находится ниже допу­ стимого значения (Ud ), существенно уменьшилось. Если зами­

рание уровней сигналов на выходе каждого из приёмников про­

исходит независимо, то вероятность спадания уровня сигнала на выходе системы из двух приёмников ниже заданного значе­ ния равна Р2 при условии, что вероятность спадания ниже того же заданного уровня на выходе одного из приёмников равна Р.

Очевидно, для выяснения взаимосвязи надо построить экспери­

ментальные кривые процентов времени, в течение которого имеет

кривую квадрата процентов времени нахождения случайной ве­ личины ниже заданного значения в случае одинарного приёма. Если экспериментальная кривая для сдвоенного приёма в ин­ тересующем нас интервале уровней мало отличается от кривой Р2, то это означает, что наличие взаимосвязи влияет мало и её можно не учитывать.

Можно утверждать, что взаимосвязь между уровнями сигна­ лов велика, если распределение уровней на выходе системы разнесённого приёма мало отличается от распределения уров­

ней для одинарного приёма. Следовательно, грубая оценка взаимосвязи сводится к определению её влияния на конечный результат в каждом конкретном случае.

Если распределение уровней близко к закону Рэлея и коэф­ фициент корреляции невелик (менее 0,5), то известна [4] про­

стая формула

/

АВ '= 1 — 0,9/?,

С

связывающая коэффициент корреляции (R) с временем спа­ дания уровня сигнала на каждом из приёмников А и В ниже заданного уровня и времени спадания ниже того же уровня сигнала одновременно на двух приёмниках (С).

На рис. 6 приведён расчётный график, на котором по оси ординат отложена часть времени, в течение которого уровень сигнала меньше допустимого значения, а по оси абсцисс вели­ чина, показывающая, во сколько раз выбранное допустимое

значение меньше среднего. Кривые рассчитаны для случая за­ мирания уровня сигнала по закону Рэлея при различных коэф­ фициентах корреляции (R) между сигналами. Если характери­

зовать качество приёма тем временем, в течение которого уро­

вень сигнала ниже допустимого значения, то из кривых (рис. 6)

16

нимают различные значения, их принято оценивать интеграль­

ным распределением вероятностей превышения заданной вели­ чины запаздывания. Иногда распределение приводится в виде таблицы, в которой даны проценты случаев изменения запазды­ вания на величину, лежащую в заданном интервале1).

Заметим, что в некоторых узкополосных радиотелеграфных

приёмных устройствах могут возникать переменные преоблада­ ния, обусловленные аппаратурой разнесённого приёма. Эти ис­ кажения связаны с тем, что время прохождения импульсов в высокочастотной части тракта может оказаться соизмеримым с длительностью отдельной посылки (несколько миллисекунд), а

различие в частотных характеристиках трактов (например, при приёме на разнесённые антенны) будет давать различие в за­ паздывании при каждом переходе с одного приёмника на дру­

гой и, следовательно, будут иметь место переменные преобла­

дания даже в том случае, когда входные сигналы не имеют вре­ менных сдвигов. При проектировании, настройке и эксплуата­ ции аппаратуры разнесённого приёма это следует иметь в виду.

4. Экспериментальные данные, характеризующие особенности распространения коротких радиоволн

Экспериментальная установка. Для определе­ ния времени, в течение которого сигнал ниже заданного уровня, используется обычно блок-схема [3], приведённая на рис, 2. Из блок-схемы видно, что в такой установке могут анализироваться

сигналы, поступающие с выхода контрольного приёмника или

от любого устройства разнесённого приёма. Рассмотрим некото­ рые экспериментальные данные, полученные от различных уст­ ройств разнесённого приёма.

Глубина и частота замираний. Для оценки эф­

фективности приёма на разнесённые антенны (пространственный разнос) был произведён эксперимент [3], в котором для одинар­ ного приёма и в случае приёма на разнесённые антенны опре­ делялись:

а) зависимость среднего числа замираний в одну минуту от

величины допустимого уровня,

б) вероятность уменьшения уровня сигнала ниже допусти­ мого значения.

Допустимый уровень определяется числом (п), показываю­

щим, во сколько раз этот уровень меньше среднего значения.

Эксперимент проводился на трассе протяжённостью около

1500 км на частоте 11,66 Мгц. Результаты эксперимента приве­ дены на рис. 7 и 8.

') Влияние величины запаздывания и её изменений при распространении радиоволн на искажения телеграфных сигналов подробно рассмотрено в лек­ ции Е. Л. Черенковой «Искажения телеграфных сигналов при передаче на коротких волнах», Связьиздат, 1955.

18

На рис. 7 дана область значений (заштрихованная), вклю­ чающая 50% всех отсчётов. Остальные отсчёты расположены таким образом, что 25% из них располагаются выше и 25% ниже заштрихованной области.

Рис. 7. Вероятность уменьшения уровня сиг­ нала ниже порогового значения

На рис. 7 пунктирными линиями даны результаты расчёта. Расчёт произведён из предположения, что уровень сигнала из­ менялся по закону Рэлея и из условия, что вероятность спада­ ния уровня сигнала ниже заданного значения при сдвоенном

приёме 7% и при строенном приёме Р$ связаны с вероятностями

для одинарного приёма Р\ соотношениями:

Р2 = Р* и Р3 = Р*.

Кривые зависимости Р% и от заданного уровня будем на­ зывать кривыми идеального сдвоенного и идеального строен­ ного приёма. Целесообразность такого определения будет пока­

ние которого уровень сигнала падает ниже заданного значения, и относительно среднего числа замираний уровня сигнала в единицу времени:

а) изменения процента времени, в течение которого уровень сигнала падает ниже заданного значения, близки к закону Рэлея;

б) приём на разнесённые антенны значительно уменьшает процент времени, в течение которого уровень сигнала лежит ниже допустимого значения, и значительно уменьшает среднее число замираний в единицу времени.

Аналогичные результаты были получены в других эксперимен­

тах [4] на различных трассах при использовании других частот. Направление разноса антенн. Для выяснения

целесообразности разноса антенн вдоль направления распрост­ ранения радиоволн или перпендикулярно этому направлению был проведён эксперимент [3] с различным расположением ан­ тенн. Определялась вероятность уменьшения уровня сигнала

20