книги из ГПНТБ / Гойхман Э.Ш. Основы теории передачи информации в автоматизированных системах управления

Такой же характер имеют шумы антенны, обусловленные флюк­ туациями наводимых в антенне зарядов, возникающими в процес­ се теплообмена между антенной и окружающей ее средой.

Космические помехи обусловлены радиоизлучением Солнца и Галактики и проявляются главным образом при приеме с направ­ лений, соответствующих источникам наиболее интенсивного ра­ диоизлучения. По своей структуре они близки к флюктуационным. Хотя интенсивность этих помех падает с увеличением частоты, в пределах полосы пропускания приемника ее можно считать по­ стоянной.

Атмосферные помехи обусловлены движением электрических зарядов в атмосфере, главным образом грозовыми разрядами. Последние имеют характер апериодических колебаний длитель­ ностью от О,Г до 3 мсек. Поскольку с ростом частоты спектраль­ ная плотность таких импульсов убывает, интенсивность атмосфер­ ных помех сравнительно велика в диапазонах длинных, средних и коротких волн; в диапазонах УКВ она пренебрежимо мала.

Уровень атмосферных помех зависит также от условий распро­ странения радиоволн различной длины от источников помех к мес­ ту расположения приемника и географических координат послед­ него. Поскольку большинство районов усиленной грозовой дея­ тельности расположено вблизи экватора, наименьший уровень ат­ мосферных помех наблюдается на высоких широтах.

В зависимости от частоты следования импульсов помех и инер­ ционности приемного тракта атмосферные помехи могут прояв­ ляться как импульсные либо как флюктуационные.

Промышленные помехи обусловлены воздействием паразитных полей, создаваемых различными электрическими установками, осо­ бенно такими, в которых имеется искрообразование и генерирова­ ние высокочастотных колебаний. Эти помехи имеют преимуще­ ственно импульсный характер. Мерами борьбы с ними являются экранировка цепей источника помех, установка защитных фильт­ ров, предотвращающих проникновение этих помех в электросеть

и др.

Станционные помехи радиоприему создаются посторонними ра­ диостанциями вследствие нерационального распределения частот связи, недостаточной избирательности приемных устройств, низкой стабильности частоты радиоканалов и др. Основными мерами борьбы со станционными помехами являются применение узко­ направленных антенн (пространственная избирательность), узко­ полосных радиоканалов с высокой стабильностью частоты, пра­ вильный выбор л распределение рабочих частот и др.

Умышленные помехи. Помехи этого вида искусственно созда­ ются противником и могут иметь самую разнообразную структуруУмышленные помехи могут быть прицельными (на узких, соизме­ римых с шириной полосы приемного тракта частотных участках) либо заградительными (в сравнительно широком диапазоне час­ тот).

ПО

Мерами борьбы с умышленными помехами являются простран­ ственная и частотная избирательность, применение различных ме­ тодов повышения помехозащищенности, основанных на различиях

вструктуре сигналов и помех.

4.1.3.Краткая характеристика мультипликативных помех и

меры борьбы с ними

Наряду с рассмотренными выше аддитивными помехами в ря­ де систем связи (коротковолновых, тропосферных, радиорелейных и др.) важное значение имеют мультипликативные помехи, обус­ ловленные факторами, препятствующими нормальному распро­ странению сигналов от передатчика к приемнику. Наиболее рас­ пространенными видами таких помех являются различного вида замирания сигналов, обусловленные нерегулярными изменениями параметров среды, через которую эти сигналы распространяются.

По характеру воздействия на принимаемый сигнал замирания можно разделить на гладкие и селективные.

Гладкими называются замирания, в процессе которых ампли­ тудные и фазовые соотношения между составляющими частотного спектра сигнала остаются неизменными.

Селективными называются замирания, при которых эти соот­ ношения изменяются по случайному закону.

Поэтому гладкие замирания проявляются в основном в виде случайных изменений уровня сигналов, а при селективных, кроме того, происходят и нерегулярные искажения формы принимаемых сигналов.

По быстроте протекания различают быстрые и медленные (по сравнению с длительностью посылки) замирания.

Замираниям подвержены главным образом каналы связи, в которых сигнал Имеет многолучевую структуру. Так, например, на коротких волнах точки прцема могут достигать несколько лу­ чей. Такими лучами могут быть лучи отражений различного по­ рядка от одного и того же слоя или от различных слоев ионосферы (рис. 4.1), а также «обыкновенный» и «необыкновенный» лучи,

Рис. 4.1

111

«

возникающие при 'расщеплении основного луча в ионосфере под воздействием магнитного поля Земли. Распространяясь по различ­ ным траекториям, эти лучи приходят в точку приема не одновре­ менно, с различной поляризацией и суммируются со случайными фазами, амплитудами и поляризацией, что приводит к замираниям

иискажениям формы сигнала. Характер возникающих замираний

иискажений рассмотрим на простейшем примере приема ампЛи- тудно-манипулированных двоичных сигналов при наличии двух лучейПри отсутствии запаздывания, обусловленного наличием второго луча, замирание проявлялось бы лишь в виде случайных изменений амплитуды сигнала (в зависимости от фазовых соотно­ шений между лучами); форма огибающей посылок при этом бы не исказилась. При наличии запаздывания искажаются участки начала и конца посылки, имеющие длительность, равную времени запаздывания (рис. 4.2).

Для обеспечения достоверного приема посылки длительность ее

искаженных краев не должна превышать небольшой доли общей длительности посылки. Поэтому чем больше время запаздывания, тем большую длительность посылки приходится брать и тСм мень­ ше пропускная способность канала. Можно показать [3.1, что мак­ симальная полоса частот, которую можно передать с допустимыми искажениями, примерно равна

Многолучевый характер поля при тропосферной связи обуслов­ лен тем, что суммарное поле в месте приема образуется из многих составляющих, приходящих из различных областей рассеивающего объема тропосферы.

Статистическое распределение амплитуд сигналов при замира­ ниях, обусловленных многолучевым характером поля, во многих случаях подчиняется закону Релея.

Эффективной мерой борьбы с такими замираниями является применение разнесенного приема. При разнесенном приеме исполь­ зуются два или более приемника, .па входы которых подаются сла­ бо коррелированные между собой сигналы. Сигналы отдельных приемников после детектирования суммируются.

Чем больше число приемников и меньше корреляция между по­ ступающими на их входы сигналами, тем меньше вероятность того, что в процессе замираний уровень всех сигналов одновременно окажется ниже допустимого уровня. Кривые зависимости уровня суммарного сигнала при сдвоенном приеме от коэффициента кор­ реляции (при релеевском замирании) приведены на рис. 4.3. Для получения слабой корреляции между сигналами применяют раз­ личные виды разноса:

— пространственный, при котором приемные антенны разно­ сятся друг от друга на расстояние порядка нескольких десятков длин волн;

112

f

816 . к а З 8

i луг

г луг

Суммарный си гн а л при

соблюдении (раз

W - 0 )

То ofce для£/80°

Рис. 4.3

114

— по виду поляризации• На входы приемников поступают сиг­ налы от антенн различной (обычно вертикальной и горизонталь­ ной) поляризации. Слабая корреляция между наводимыми в этих антеннах э.д.с. объясняется различными условиями распростране­ ния для радиоволн с горизонтальной и вертикальной поляриза-. цией;

— по частоте. Передача ведется одновременно на двух или бо­ лее частотах, отличающихся друг от друга в такой степени, что замирания принимаемых на этих частотах сигналов оказываются практически не коррелированными;

' — по углу (применяется при тропосферной связи). При этом методе используются две приемные антенны, у которых максиму­ мы характеристик направленности (/ и 2 на рис. 4.4) симметрич­

но смещены от направления на передатчик на небольшой угол. При этом в одну из антенн поступает преимущественно энергия лз части рассеивающего объема, расположенного левее направле­ ния трассы, а в другую — из части объема, расположенного спра­ ва. Благодаря случайному характеру взаимного расположения рассеивающих неоднородностей в каждой части объема, сигналы

вантеннах оказываются слабо коррелированными.

Кмультипликативным помехам могут быть также отнесены не­ регулярные перерывы и резкие изменения уровня сигналов, на­ блюдаемые в проводных линиях телекодовой связи вследствие на­ рушений контактов при коммутации цепей.

115

§ 4.2. Критерий оценки помехоустойчивости систем передачи двоичных сигналов

Для исследования и сравнительной оценки различных систем передачи двоичных сигналов необходимо прежде всего установить

критерий помехоустойчивости, т. е. ее количественную меру. С точ­ ки зрения потребителя наиболее удобным критерием является сте­ пень обеспечения функциональных задач автоматизированной си­ стемы (например, точности выполнения команд в системе теле; управления) при заданных уровнях и характере сигналами помехОднако при этом анализ проблемы помехоустойчивости становится весьма сложным. Следует также учитывать, что во многих систе­ мах связи, в том числе в системах передачи данных, широко при­ меняются каналы связи универсального назначения, рассчитанные на возможность их использования различными потребителями. Поэтому при оценке помехоустойчивости систем передачи инфор­ мации область рассмотрения обычно ограничивают самим кана­ лом связи, а анализ производят с точки зрения обеспечения, тре­ буемой достоверности передачи сообщений по каналу связи при заданных уровнях и характере сигнала и помех. »

При этом удобным и объективным критерием помехоустойчи­ вости систем передачи двоичных сигналов является критерий ми­ нимума среднего риска, к рассмотрению которого и перейдем.

Поскольку процесс передачи информации имеет статистический характер, критерий помехоустойчивости также является статисти­ ческим и при его определении должны быть учтены вероятности для всех возможных в процессе передачи информации ситуаций:

1. Вероятность того, что передана и принята безошибочно по­ сылка «О»,

2. Вероятность того, что передана и безошибочно принята по­

редана посылца «1».

3. Вероятность того, что передана посылка «0», а принята по­

* Здесь и далее в скобках первой - (либо верхней) указывается посылка, о наличии которой принимается решение в месте приема. Второй либо нижней (под чертой) указывается, какая посылка передана фактически, ■

116

где р(1/0) — условная вероятность принятия посылки «1», если пе­ редана посылка «О».

Подобные ошибки назовем ошибками 1-го рода.

4.Вероятность того, что передана посылка «1», а принята по­

где р (0/1) — условная вероятность, что принята посылка «О», если передана посылка «1>ц

Подобные ошибки назовем ошибками 2-го рода'. В соответствии с методом минимума среднего риска [2, 43 в зависимости от важ­ ности ошибок 1 и 2-го рода каждой из них ставится в соответ­

Большей помехоустойчивостью обладает та система передачи двоичных сигналов, у которой при прочих равных условиях вели­

чина г оказывается меньшей. Таким образом, минимум величины среднего риска является объективным критерием помехоустойчи­

Условие минимума этой вероятности называется критерием идеального наблюдателя. Величина Рош зависит как от соотно­ шения уровней сигнала и помехи, так и от помехоустойчивости данной системы передачи информации.

При заданном соотношении уровней сигнала и помехи величи­ на Рош является объективным критерием помехоустойчивости раз­ личных систем телекодовой связи. Поэтому большой практический интерес представляет выяснение следующих вопросов:

1. Какая минимально возможная величина Рош может быть в каждой системе передачи двоичных сигналов в принципе достиг­ нута. Соответствующую этой наименьшей величине предельно до­ стижимую помехоустойчивость принято называть потенциальной помехоустойчивостью.

2. Как осуществить оптимальную обработку принятой инфор­ мации, чтобы полностью реализовать свойственную данной систе­ ме передачи информации потенциальную помехоустойчивость.

Решение этих вопросов для широкого класса систем передачи непрерывных и дискретных сигналов дает теория потенциальной

117

помехоустойчивости Котельникова [5]. Эта теория и разработанная Шэнноном теория оптимального кодирования (основные положе­ ния которой изложены в III главе) составляют основу современ­ ной теории передачи информации по электрическим каналам связи.

Необходимо отметить, что вопросы теории помехоустойчивости применительно к воздействию целого ряда представляющих прак­ тический интерес видов помех достаточно полного обоснования еще не получили. Поэтому при количественном анализе вопросов потенциальной и реальной помехоустойчивости в качестве типовой помехи обычно принимается флюктуационный шум. Помехи этого вида, обладая большой энтропией, существенно снижают досто­ верность передачи информации в ряде систем связи, широко встречаются на практике, а их "статистические свойства подробно изучены.

Общее выражение для Р ош, характеризующее потенциальную помехоустойчивость при передаче двоичных сигналов, может быть сравнительно просто и наглядно получено с помощью геометриче­ ской модели системы связи, к рассмотрению которой переходим-

§ 4.3. Геометрическая модель системы связи

виде точки в трехмерном пространстве, удаленной от начала коор­ динат на расстояние

Этими числами, в частности, могут быть ординаты функции f(t), характеризующей сигнал (рис. 4.5,6).

Подобная трактовка может быть распространена па любое ко­ личество чисел (ординат), если ввести понятие о многомерном пространстве, в котором координатные оси взаимно перпендику­ лярны. Соответственно в «-мерном пространстве

D—V x]+xl+ ... + x l

Как следует из теоремы Котельникова, любой сигнал длитель­ ностью Т, занимающий участок спектра шириной F, однозначно определяется K — 2FT числами, характеризующими ординаты, от­

считанные через интервалы Д /= Каждому такому сигналу мо­

жет быть поставлена в соответствие одна точка в пространстве 2FT измерений.

Расстояние от этой точки до начала координат равно

х„==/(«Д/)—координата точки по п-й оси, т. е. значение сиг­ нала в момент времени tn—nM.

118

Величину D можно рассматривать как длину вектора, прове­ денного из начала координат в точку, соответствующую данному сигналу.

б)

Покажем, что величина D однозначно связана с основными ха­ рактеристиками сигнала (Т, F, Р). Для функции f(t), действую­ щей на конечном интервале времени Т и обладающей ограничен­ ным спектром, справедливо соотношение (2.11)

о

119