книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

по предположению используется код с основанием т, должно иметь место следующее равенство:

т'‘т= 2п=,

Но F0nm есть частота следования импульсов. Для их передачи

Основание кода т может быть выражено через сигнал Р и шум N, действующие в канале связи. При этом будем предпо­

циент, который должен быть достаточно большим, чтобы иска­ жения под действием флуктуационного шума почти не имели места. Амплитуда импульсов в кодовых комбинациях изменяется от 0 до ka(m— 1), а за вычетом постоянной составляющей — от

22

вканале связи определится следующим образом:

V *2 • л (л + 1 )(2 л + 1)

“6

-7-1

т— 1

причем в нашем случае п = ------- ,

то

Из полученной формулы видно, что необходимая средняя мощ­ ность сигнала быстро растет при повышении основания кода т.

36Q

Прежде чем использовать формулу (7.113) для определения; пропускной способности, сделаем некоторые дополнительные вы­ воды о выборе параметров системы КИМ. Увеличение числа

квантованных уровней Nyp = тПтс целью повышения отношения сигнала к шуму [см. формулу (7.110),] связано с необходимостью повышения либо количества разрядов кода пт, либо основания кода т. Но повышение количества разрядов кода, как это видно из (7.42), приведет к расширению полосы частот, а повышение основания кода — к увеличению необходимой средней мощности сигнала в соответствии с (7.113). Поэтому без нужды увеличи­ вать число квантованных уровней не следует. Оно берется ми­ нимальным, при котором обеспечивается необходимое качество ■связи.

Теперь подставим значение т2 из (7.113) в .(7.112), при этом получим

Сравним (7.114) с (6.40). Внешне формулы сходны. Разни­ ца заключается в том, что при КИМ отношение P/N уменьшает­ ся в &2/12 раз по сравнению с этим отношением в системе связи с идеальной модуляцией. Значит, для получения одинаковой пропускной способности при данном канале связи, т. е. при дан­ ных W и Д/. КИМ требует в к2/12 раз большую мощность сигна­ ла, чем система связи с идеальной модуляцией.

На приемной стороне сначала производится декодирование кодовых групп (см. рис. 7.25), состоящих в общем случае т п т импульсов, каждый из которых может иметь т различных уров­ ней. Число кодовых комбинаций равно т"т. После декодирова­ ния получим последовательность тпт квантованных' уровней, из которой с помощью-фильтра нижних частот выделяется сообще­ ние.

Определим значение коэффициента Л = 8/о, который связы­ вает разность между соседними уровнями 8 с уровнем помех а. По существу, k есть коэффициент запаса, при котором ошибки за счет флуктуационных помех будут пренебрежимо малыми.

Ошибка за счет флуктуационного шума возникает в том слу­ чае, если при детектировании кодовой комбинации произойдет ошибка в определении хотя бы одного из т уровней. При этом кодовая комбинация и соответствующий ей квантовый уровень (один из тпш уровней сообщения) окажутся искаженными. Бу­ дем считать, что декодирование кодовых комбинаций произво­ дится по следующему правилу: на выходе детектирующего устройства регистрируется тот уровень (один из т уровней), к которому окажется ближе принятый уровень. Ошибка прои­ зойдет в том случае, когда абсолютное значение шума в данный

3 6 1

момент будет больше половины разности между соседними уровнями. Вероятность такой ошибки равна

362

Во второй строке таблицы приведены значения вероятностей ошибок, вычисленные по формуле (7.115). В третьей строке указаны значения среднего времени/1ср, в течение которого про­ изойдет одна ошибка. Расчет ср сделан в предположении, что в секунду передается 10000 импульсов, как в импульсной теле­ фонии. В этом случае число ошибок в секунду' равно 104Р,

^а средний интервал безошибочной передачи £1ср = ~|дТр ‘

Приведенные данные показывают, что при /г)> 10 вероятность ошибки очень быстро убывает и становится исчерпывающе ма­

ближайшими уровнями должна быть

8 > 10а.

Чем больше уровень шума, тем больше должна быть величина 8. При сохранении неизменным основания кода т это приведет к необходимости увеличения мощности сигнала. Мощность сигна­ ла, соответствующая к — 10, является пороговой. Из (7.113) следует, что пороговая средняя мощность равна

Минимальная пороговая мощность сигнала требуется при двоич­ ном коде. Этим в значительной мере и объясняется преимуще­ ственное применение двоичного кода при КИМ.

Найденное пороговое значение коэффициента k позволяет уточнить сравнение КИМ с системой связи, в которой осущест­ вляется идеальная модуляция. При k — 10 формула (7.114) будет иметь вид:

Из этого выражения видно, что для передачи одинакового ко­ личества информации по заданному каналу связи при КИМ тре­ буется в 10 раз большая мощность, чем при идеальной модуля­ ции.

Взаимозависимость между отношением сигнала к шуму и шириной полосы частот ясна из (7.117). Особенно простой она получается при P/N^> 10. В этом случае

C = A/log30,l ^ = A /(lo g 2 ^ - - 3 , 3 2 ) = A/loga-^-,

т. е. взаимосвязь получается такой же, как и в системе связи с идеальной модуляцией.

Коэффициент 0,1 в формуле (7.117) показывает несовершен­ ство КИМ по сравнению с идеальной модуляцией. Он получен

363

при использовании в системе КИМ обычных равномерных ко­ дов. Принципиально возможно применение более совершенных кодов, для которых указанный коэффициент может быть при­ ближен к единице.

Проведенный анализ помехоустойчивости системы КИМ по­ зволяет отметить следующие ее особенности. В отличие от ра­ нее рассмотренных систем связи при КИМ отношение мощно­ стей сигнала и шума, определяемое формулой (7.110), нельзя увеличить повышением мощности сигнала, если уровень сигнала превышает пороговое значение. Следовательно, отношение си­

гнала к шуму в ранее рассмотренных системах связи при доста­ точно большом уровне сигнала может быть получено больше, чем при КИМ. Но при КИМ указанное отношение сохраняется неизменным при ретрансляциях передач. Особенно это важно при большом числе ретрансляций. В системе КИМ искажения в одном звене, если они не слишком велики, не оказывают влия­ ния на восстановленный сигнал в следующем звене.

Если при наличии флуктуационного шума и одного звена в системе связи с КИМ неправильно восстанавливается некото­ рая доля Р всех импульсов, тогда после п звеньев доля иска­ женных импульсов увеличится до пР. Так как мощность сигна­ ла берется выше пороговой, незначительным повышением мощ­ ности в каждом звене долю искаженных импульсов можно уменьшить до Phi, тогда после п звеньев доля искаженных им­ пульсов опять будет равна Р. Отсюда вытекает, что при КИМ качество связи практически не зависит от общей длины линии связи. Это важное свойство является следствием сильно выра­ женных пороговых свойств и возможности восстановления кван­ тованного сигнала в каждом звене. При отсутствии такой воз­ можности искажения будут накапливаться при увеличении чис­ ла звеньев.

Анализ системы КИМ проведен в предположении, что непре­ рывное сообщение заменяется ступенчатой линией с одинаковой высотой ступенек. Такая аппроксимация называется квантова­ нием с равномерным шагом. Мощность шумов квантования в со­ ответствии с (7.106) зависит, только от размера шага квантова­ ния. Если мощность сигнала понизится, а шаг квантования ос-

р

танется неизменным, отношение —- , как это видно из (7.107) и

N кв

(7.109), уменьшится. Это значит, что влияние шумов квантова­ ния будет наибольшим при слабых сигналах, вследствие чего точность их передачи будет низкой. С целью обеспечения доста-

р

точно большого отношения —- при слабых сигналах можно

К »

уменьшить шаг квантования h. Но тогда для передачи макси­ мальных значений сигнала придется увеличить количество раз­

364

ГЛАВА V III

м н о г о к а н а л ь н ы е с и с т е м ы р а д и о с в я з и

§. 1. ПРИНЦИПЫ МНОГОКАНАЛЬНОЙ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ

.Во многих случаях возникает необходимость одновременной передачи нескольких или многих сообщений из одного пункта в другой. Такая необходимость возникает, например, при орга­ низации связи между крупными населенными пунктами, между штабами частей и соединений, а также при передаче результа-- тов измерений различных параметров с самолета, ракеты или

Рис. 8.1. Блок-схема многоканальной радио­ линии:

1, 2, 3 — источники сообщении; !\ У, У — получатели сообщений

космического корабля на землю и т. п. Во всех этих случаях построение одноканальных систем связи, каждая из которых используется для передачи одного сообщения, является нецеле­ сообразным. Общая система связи при этом получилась бы слишком громоздкой и дорогой. Более эффективной оказывает­ ся многоканальная система радиосвязи, которая позволяет осу­ ществлять одновременную передачу нескольких (многих) сооб­ щений между заданными пунктами.

Упрощенная блок-схема многоканальной системы радиосвя­ зи (многоканальной радиолинии) приведена на рис. 8.1. Основ­ ными элементами являются источники сообщений, суммирую­ щее устройство и передатчик на передающей стороне, приемник, фильтрующее устройство и получатели сообщений на приемной ■стороне.

Отдельные сообщения, число которых равно числу каналов, суммируются на передающей стороне и суммарный сигнал пе-

3 6 6

редается по общей для всех каналов линии связи. На приемной стороне с помощью фильтрующего устройства Ф производится разделение сигналов и сообщений по отдельным каналам. Не­ обходимость разделения сигналов, т. е. выделения сигнала дан­ ного канала из суммарного сигнала, является особенностью многоканальной радиосвязи. Различные возможные методы разделения сигналов рассматриваются в § 2 настоящей главы.

Для многоканальной радиосвязи используются обычно уль­ тракороткие волны. Дальность связи на УКВ сравнительно не­ велика и, в первом приближении, ограничивается пределами

каналы ■ А В

Рис. 8.2. Блок-схема многоканальной радиорелейной линии:

ОС-A, ОС-Б — оконечные станции; ПС — промежуточная станция; УС — узло­ вая станция; АУ — аппаратура уплотнения; АВ — аппаратура выделения

прямой видимости. В целях увеличения дальности связи прибе­ гают к ретрансляции сигнала, т. е. к повторной передаче его в заданном направлении с помощью приемно-передающих про­ межуточных станций—ретрансляторов. Каждая промежуточная радиостанция принимает сигнал от предыдущей станции, усили­ вает его и передает на следующую станцию (рис. 8.2).

Таким образом, здесь имеет место как бы восстановление сигнала на каждой станции, замена слабого принимаемого сиг­ нала новым сильным сигналом, излучаемым этой станцией. По­ этому многоканальные радиостанции с мйогократной ретрансля­ цией сигнала называют радиорелейными линиями (от англий­ ского слова relay, что означает замену, смену—смену вахты на кораблях, бегунов в гонках с эстафетой и т. п.) или радиоретрансляционными линиями (латинская приставка ге означает повторность действия, в данном случае повторность передачи).

Для обеспечения дуплексной связи, т. е. связи в двух на­ правлениях, на каждой промежуточной станции устанавлива­ ются два полукомплекта, т. е. два передатчика, два приемника и четыре антенны. Оконечная станция состоит из одного полу1 комплекта.

Антенны радиорелейных линий, как правило, являются гро­ моздкими и имеют большой вес. С целью облегчения и упроще­ ния антенной системы часто приемную и передающую антенны

367

выполняют с взаимно перпендикулярной поляризацией и конст­ руктивно объединяют вместе.

Суммирование сообщений различных каналов и их разделе­ ние производятся с помощью аппаратуры уплотнения (АУ), ус­ танавливаемой на оконечных станциях, работающих в оконеч­ ном режиме.

В ряде случаев возникает необходимость выделения части каналов на какой-нибудь промежуточной станции. Для этого на данной станции устанавливается аппаратура выделения (АВ), которая выделяет нужные каналы и вместо них вводит новые каналы. Такой режим работы промежуточной станции носит название режима узловой в отличие от обычного режима рабо­ ты промежуточной станции — режима ретрансляции.

Не рассматривая здесь особенностей построения промежу­ точных станций, укажем на их два основных типа.

Промежуточная станция первого типа представляет собой соединение приемника и передатчика оконечной станции вме­ сте. На каждой такой станции осуществляется полный перепри­ ем по низкой частоте, т. е. демодуляция сигнала в приемнике и повторная модуляция сигнала в передатчике.

Промежуточные станции второго типа строятся по другому принципу. Они не содержат демодуляторов и модуляторов и представляют по существу усилитель, компенсирующий затуха­ ние сигнала на предыдущем участке связи. Усиление принципи­ ально может производиться непосредственно нц сверхвысоких рабочих частотах связи. Поскольку построение такого усилите­ ля представляет известные трудности, часто в станциях второго типа усиление производится на промежуточной частоте прием­ ника, для чего имеются соответствующие преобразователи ча­ стоты.

На практике используются оба типа промежуточных ра­ диостанций в зависимости от назначения радиостанции и от вида модуляции, примененной в данной многоканальной радио­ релейной линии.

В передвижных войсковых радиостанциях часто вообще не конструируют особых промежуточных станций. Все станции де­ лают взаимозаменяемыми и любая из них может использовать­ ся как в оконечном режиме, так и в режиме ретрансляции или узловом режиме. Для стационарных радиорелейных линий нет смысла все станции конструировать на указанные три режима, поскольку роль каждой радиостанции заранее определена. В этом случае конструкция промежуточных станций может быть упрощена.

Первый тип промежуточных радиостанций удобнее приме­ нять при импульсной модуляции. В этом случае на промежу­ точных станциях видеоимпульсы на выходе детектора могут быть подвергнуты двустороннему ограничению и формированию с целью исправления искажений сигналов. При частотной моду-

368

лядии, наоборот, целесообразнее применять второй тип проме­ жуточных радиостанций. Исправление формы сигналов здесь не производится, а полный переприем сигналов, т. е. их демодуля­ ция и повторная модуляция только увеличили бы нелинейные искажения.

Нормальная работа многоканальной радиорелейной линии возможна лишь при правильном выборе частот связи. На рис. 8.2 указаны четыре рабочих частоты связи. Такого коли­ чества частот достаточно для устранения взаимных помех меж­ ду различными звеньями радиорелейной линии. При этом пере­ датчики и приемники разных полукомплектов работают на четы­

полукомплекта со стороны передатчика соседнего полукомплек­

(от А к Б) будет принимать не только передатчик предыдущей радиостанции данного направления, т. е. передатчик оконечной

достаточно сильно, можно брать одинаковые частоты для при­

уменьшено до двух. В противном случае приходится брать че­ тыре частоты. Разнос между частотами Д и Д, а также Д и Д можно брать сравнительно небольшим, тем меньше, чем сильнее направленность антенн.

Как при четырехчастотной, так и при двухчастотной системе, при достаточно большом расстоянии между соседними станци­ ями рабочие частоты передатчиков и приемников повторяются через одну станцию. Вследствие этого в некоторых случаях, на­ пример при повышенной рефракции, данная станция может