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

приводится на рис. 17. Из графика следует, что выбором вели­ чины нагрузочного сопротивления можно существенно сокра­ тить различие в уровнях сигналов, при котором исключается воздействие на выходное устройство сигнала с меньшим уров-

нем. В обычных условиях — = 100, а это означает, что достаточ­

но заданной величине ткр

но 10% превышения амплитуды одного сигнала над другим,

чтобы меньший сигнал совсем не воздействовал на выходное

устройство.

Расчётные величины достаточно хорошо согласуются с эк­ спериментальными, поэтому можно сделать вывод, что среднее время одновременной работы двух приёмников на выходную ступень в случае включения детекторов на общую нагрузку бу­ дет невелико по сравнению с общим временем работы всего устройства разнесённого приёма.

Другим чрезвычайно простым способом осуществления прин­ ципа неполного автовыбора при разнесённом приёме является

схема сложения сигналов «а общем амплитудном ограничителе.

Такая схема используется в радиотелеграфии.

Принцип сложения на общем ограничителе состоит в том,

что сигналы с выхода двух приёмников на различных несущих

частотах подаются на общий ограничитель, а после этого огра­

31

ниченные сигналы различных приёмников расфильтровывают-

ся. Каждый из сигналов подаётся на свой частотный дискрими­ натор, после чего сигналы окончательно складываются по по­ стоянному току.

Методика расчёта уровня сигнала на выходе амплитудного ограничителя при подаче на его вход двух колебаний различ­ ной частоты предложена В. С. Мельниковым [1]. Согласно этой

тический интеграл II рода.

32

для автовыбора, в частности, требует специального рассмотре­ ния, которое выходит за рамки данной лекции. Здесь следует

заметить, что амплитудный ограничитель в’ схеме автовыбора при частотной радиотелеграфии не увеличивает число ложных знаков.

Хотя в простейших схемах автовыбора принцип полного вы­ бора не осуществляется, тем не менее существенное ухудшение

Рис. 19. Схема полного выбора

работы всей системы разнесённого приёма за счёт использова­ ния схем неполного выбора по сравнению со схемами, исполь­ зующими полный автовыбор, не должно иметь место, посколь­ ку в реальных условиях время, в течение которого имеются при­ мерно равные уровни, по сравнению со всем временем работы радиоустройства, невелико. Однако с целью дальнейшего улуч­ шения работы каналов связи нашли применение системы авто­ выбора, использующие принцип полного выбора [8]. На рис. 19

приведена схема такого устройства. В этой схеме имеются два

мультивибратора на лампах Л3 и Л4, превращающие напряже­ ния сравнения сигналов, снимаемые с нагрузок Ri и /?2, в пря­ моугольное напряжение для коммутации каналов. Время ком­ мутации в устройстве автовыбора в этом случае выбирается

настолько малым (15н20 мксек), что такое устройство ис-

33

пользуется с одинаковым успехом для телефонии и для теле­ графии.

На рис. 20 приведены осциллограммы сигналов на нагруз-

Рис. 20. Осциллограммы изменения уровней сигналов и изменения на­ пряжения переключения приёмников

ках 7?i и /?2 (верхняя часть рисунка) и напряжение переключе­ ния приёмников на выходных лампах (нижняя часть рисунка).

Рассмотрение схем автовыбора показывает, что сравнитель­ но простые схемы получаются в случае использования прин­ ципа неполного выбора. Этим можно объяснить широкое рас­ пространение таких схем.

34

В дальнейшем в примерах по оценке повышения устойчиво­

сти и выигрыша от применения разнесённого приёма расчёты будут проведены для схемы полного автовыбора.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗНЕСЁННОГО ПРИЁМА

1. Принцип работы системы автовыбора и устойчивость

канала связи

За счёт действия системы автоматической регулировки уси­ ления замирание уровня сигнала при одинарном приёме само по себе не сказывалось бы на качестве связи, если при таких замираниях не ухудшалось бы отношение сигнал/помеха. По­ этому к разнесённому приёму обычно прибегают при необходи­

мости улучшить отношение сигнал/помеха. Допустим, что каче­ ство связи зависит только от этого отношения (практически это условие почти всегда выполняется), тогда автовыбор должен

выполняться таким образом, чтобы в любой момент времени к

выходу был бы подключён тот приёмник, который имеет луч­ шее отношение сигнал/помеха. Следовательно, в идеальном слу­ чае автовыбор должен производиться по лучшему отношению сигнал/помеха.

Однако в реальных условиях мы не располагаем мгновенны­ ми значениями отношения сигнал/помеха и вынуждены при ав­ товыборе использовать приёмник с большим значением ампли­ туды суммы сигнала и помехи. Выбор приёмника с большим

значением суммы сигнала и помехи совсем не соответствует

наилучшему выбору, так как автовыбор мог подключить к выхо­ ду приёмник, у которого сумма сигнала и помехи превышает та­ кую же сумму на другом приёмнике только из-за того, что на под­ ключённом к выходу приёмнике вырос уровень помехи.

Очевидно, при равных средних уровнях сигнала и помехи в среднем будет одинаковое число подключений, связанных как с улучшением, так и с ухудшением отношения сигнал/помеха на выходе системы разнесённого приёма. В итоге разнесённый при­ ём при таком отношении сигнал/помеха вообще не даёт улучше­ ния, однако число случаев, приводящих к подключению приём­ ника с худшим отношением сигнал/помеха («ошибки автовы­ бора»), тем меньше, чем менее вероятно превышение одной суммы над другой за счёт возрастания уровня помехи. Поэтому

автовыбор «ошибается» тем реже, чем больше отношение сиг­ нал/помеха.

Таким образом, в реальных условиях автовыбор имеет прин­ ципиальный недостаток, заключающийся в том, что исправное устройство, вообще говоря, не всегда выбирает лучший сигнал потому, что «ошибается» автовыбор. В дальнейшем будет дана оценка эффективности разнесённого приёма с учётом этой осо­ бенности работы устройства автовыбора.

35

2. Оценка качества канала связи при замираниях

Качество канала связи при наличии замираний может оце­ ниваться величиной вероятности того, что отношение сигнал/по-

меха будет меньше допустимого. Такой показатель качества яв­ ляется общим для любого рода работы в том смысле, что умень­ шение или увеличение отношения сигнал/помеха обычно связано соответственно с ухудшением или улучшением качества связи,

однако в каждом отдельном случае необходимо оговаривать, для какого вида помехи данная величина вероятности получена.

Если для оценки телефонного канала основным критерием обычно является отношение сигнал/помеха, то для оценки каче­ ства радиотелеграфного канала часто используются менее общие показатели, такие, как вероятность того, что будет иметь место ложная элементарная посылка (ложный бод пли ложный знак); вероятность того, что ложными окажутся две, три под­ ряд следующие посылки; вероятность того, что величина преоб­ ладания превысит заданную величину.

Таким образом, критерием для оценки качества канала свя­ зи, сигналы в котором подвержены замираниям, при наличии помех служит величина вероятности, характеризующая процент времени, в течение которого имеет место определённое (неже­

лательное) состояние.

При сравнении двух способов приёма производится оценка эффективности одного способа по сравнению с другим.

Оценка эффективности разнесённого приёма по сравнению с одинарным приёмом производится по тому повышению мощ­

ности передатчика, которое необходимо при одинарном приёме

для получения такого же качества, какое получается при разне­

сённом приёме. Способ оценки величиной выигрыша в мощности передатчика при одном способе приёма по сравнению с другим используется также при определении эффективности строенно­ го приёма на разнесённые по пространству антенны или при оценке эффективности приёма сигналов, повторенных на раз­ личных частотах, и т. д.

Эффективность разнесённого приёма различна при различ­ ных видах помех и зависит от корреляции между уровнями сиг­

налов и помех. В дальнейшем будет рассмотрена устойчивость

и эффективность разнесённого приёма при помехах, уровень ко­ торых является случайной величиной. Результаты анализа ус­ тойчивости при помехах, уровень которых подвержен замираниям, соответствуют практически важным реальным условиям приёма при помехах от соседних по частоте станций. Ниже да­ ются примеры расчёта устойчивости при определённых видах помех и вычисляется эффективность использования приёма на

разнесённые антенны.

Рассмотрим простейший случай оценки качества канала свя­ зи. Приведённые ранее данные анализа изменений уровней сиг-

36

налов при замираниях в зависимости от заданной величины по­ рога не только характеризуют условия распространения, но так­ же дают представление о качестве радиоканала связи. В самом деле, если уровень помехи принять за пороговый уровень, то

прежняя зависимость, выражавшая вероятность того, что уро­ вень сигнала будет находиться ниже порогового значения, те­ перь выражает вероятность того, что уровень сигнала будет на­

ходиться ниже уровня помех. Сведения о вероятности превы­ шения порогового уровня (порог может быть выбран произ­ вольным образом) и сведения об уровне помехи позволяют оп­ ределить вероятность того, что отношение сигнал/помеха будет меньше допустимой величины. Такая оценка качества канала связи получается из экспериментальных данных.

В тех случаях, когда уровень помех можно принять за по­ стоянную величину и вероятность превышения сигнала поме­ хой (по уровню) равна Р, вероятность превышения сигнала той же помехой при разнесённом приёме и отсутствии взаимосвязи между изменениями уровней сигналов будет равняться Р2. Эф­ фективность разнесённого приёма в этом случае оказывается наиболее высокой, и разнесённый приём, в котором выполняется приведённое соотношение между вероятностями одинарного и сдвоенного приёма, назван идеальным. Аналогичные соображе­ ния можно привести относительно эффективности строенного приёма.

На ряде магистралей [4] получены экспериментальные вели­ чины выигрыша от использования разнесённого приёма при ус­ ловии, что допустимое время, в течение которого уровень лежит ниже порогового значения, составит величину, равную или мень­ ше 10~3 от всего времени эксперимента. Результаты этого экспе­

ляет оценка устойчивости и эффективности разнесённого приё­ ма при наличии помех, уровень которых также подвержен за­ мираниям. Рассмотрим подробно пример расчёта эффективности

37

разнесённого приёма при наличии помехи от соседней по часто­

при этом уровень помехи станет равным или превысит уровень

сигнала. Помеха не нарушит передачу посылок отжатия.

б) Уровень сигнала и уровень помехи замирают по закону Рэлея. Текущие значения уровней сигнала и помех на входе приёмных устройств, работающих от разнесённых антенн, рав­ ны соответственно Ucl\ Ur2; Uт\ Un2; среднеквадратичные

значения уровней сигнала и помехи на входе приёмных устройств

соответственно равны иЛск\ Uc2.K; UnlCK; Un2cK.

в) Устройство с полным автовыбором подключает к выходу тот приёмник, на котором в данный момент имеет место макси­

мальное значение одной из четырёх величин:

; ип2

Поскольку нарушение связи наступает при отношении сиг-

нал/помеха, равном единице, а на выходе амплитудного огра­ ничителя это отношение не изменяется, то амплитудный огра­ ничитель также не изменит величину вероятности передачи ложных посылок при радиотелеграфии.

г) При рассмотрении радиотелефонии условием нарушения телефонной связи будем считать такое состояние, при котором отношение сигнал/помеха меньше допустимой величины.

Для получения расчётных формул обозначим распределение

Вероятность ложных знаков при одинарном приёме может быть вычислена следующим образом:

1. Ложный знак на выходе приёмника при некотором значе­

нии уровня помехи Uт получится в том случае, если уровень

38

помехи превысит уровень сигнала. Определим вероятность по­

ме при любом уровне помехи будет иметь место, если учесть, что

уровень помехи может принимать любые значения. Определим вероятность появления события В{ — ложный

знак при любом уровне помехи. Для этого нужно произвести

интегрирование (11) по всем значениям Uni и учесть, что лож­

ные посылки вообще могут иметь место только при передаче нажатия, а передача нажатия или отжатия — события равно­ вероятные

Оо

3.Если учесть, что замирания уровня сигнала подчиняются закону Рэлея, то из общей ф-лы (12) можно получить расчёт­ ную формулу вида

<13>

где

Ucick—среднеквадратичное значение уровня сигнала, 4/Л1 ск — среднеквадратичное значение уровня помехи.

Для иллюстрации физического смысла ф-лы (13) приведён рис. 22. На этом рисунке показаны изменения уровней сигнала

и помехи при замираниях и штриховкой обозначена та часть вре­ мени, когда имеет место превышение уровня помехи над уров­ нем сигнала, т. е. то время, которое учитывается ф-лой (13).

•Следовательно, ф-ла (13) позволяет вычислить тот средний процент времени, в течение которого передаются ложные зна­ ки. Формулу (13) можно также трактовать таким образом, что она даёт ту часть времени, в течение которого мгновенное значе­

ние отношения сигнал/помеха равно или меньше единицы. Решённая задача позволяет перейти к решению другой прак­

тически важной задачи, которая возникает в радиотелефонии.

Оценка качества канала связи при радиотелефонии может быть произведена процентом времени, в течение которого отно- ;шение сигнал/помеха меньше допустимой величины

39

Не приводя полного вывода формулы для такого расчёта,

укажем, что достаточно получить распределение плотности ве-

Рис. 22. Осциллограммы изменения уровня сигнала и уровня помехи

тогда вероятность того, что отношение сигнал/помеха окажет­

о

На рис. 23 приведены кривые распределения плотности ве­ роятностей случайной величины В при условии, что случайные величины Uci, Um распределены по закону Рэлея. Расчётная

формула для вычисления вероятности того, что отношение сиг­

40