книги / Оптимальные методы передачи сигналов по линиям радиосвязи

Г Л А В А 11.

ТЕЛЕФОННАЯ РАДИОСВЯЗЬ ПРИ УЧЁТЕ ЗАМИРАНИИ

11.1.ВЛИЯНИЕ ЗАМИРАНИИ СИГНАЛОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ

ВПРОЦЕССЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ, НА ПЕРЕДАЧУ ТЕЛЕФОННЫХ СООБЩЕНИЙ

О бщ ая характеристика замираний сигналов при ионосферном

и тропосферном распространении кв и укв была дана в разделе 4.1.

.Остановимся на том специфическом воздействии, которое оказы­ вают замирания на передачу по каналам радиосвязи телефонных сообщений.

Если при передаче телеграфных сигналов находились только ве­ роятностные законы распределения амплитуды результирующего напряжения на входе приёмного устройства, считая, что ошибка при приёме сигналов возникает при тех условиях, когда результи­ рующее напряжение оказывается ниже порогового напряжения (при амплитудной манипуляции), то при передаче телефонных со­ общений замирания сигнала сопровождаются не только колеба­ ниями среднего уровня принимаемого сигнала, но и возникнове­ нием специфических искажений, которые могут иметь место и при 'высоком уровне принимаемого сигнала и которые делают сигнал непригодным для слухового восприятия. Таким образом, задача учёта влияния замираний на передачу телефонных сообщений яв­ ляется гораздо более сложной, чем при передаче телеграфных со­ общений и данных. Сложность дополнительно усугубляется тем, что очень трудно установить критерий, который позволил бы однозначно и в количественном отношении оценить степень искажений телефон­ ной передачи и, в частности, определить ту степень искажений при которой сигнал делается непригодным для слухового восприятия.

Для количественной оценки искажений, возникающих под дей­ ствием замираний, необходимо исходить из того, что достигающие пункта приёма отдельные гармонические составляющие передавае­ мого спектра (например, три составляющие при AM колебаниях — несущая, верхняя и нижняя боковые частоты) испытывают следую­ щие флуктуациоиные изменения: амплитуда сигнала претерпевает колебания, подчиняющиеся рэлеевскому распределению, а фаза с одинаковой вероятностью принимает любые значения в интервале от 0 до 2л. Изменения фазы, как известно, можно рассматривать в виде изменений частоты соответствующей гармонической состав­ ляющей.

— 141 —

Переходя к количественной оценке влияния замираний, необ­ ходимо постоянно учитывать два основных свойства замираний: их частотную и пространственную избирательность. Эти' свойства проявляются в том, что при излучении передатчиком двух гармони­ ческих составляющих, разность частот которых превышает некото­ рое критическое значение, замирания в месте приёма этих состав­ ляющих протекают совершенно независимым образом. Аналогично этому при одновременном приёме гармонического сигнала на две антенны, удалённые друг от друга на известное расстояние, зами­ рания будут протекать независимым образом при том условии, если указанное расстояние превысит некоторое критическое значение. Само собой разумеется, что если частотная расстройка или разнос между антеннами не превышает указанных критических значений, то между характером протекания замираний имеет место корреля­ ционная связь, тем более близкая, чем меньше разнесение по ча­ стоте или разнесение в пространстве.

Для диапазона кв в качестве критической расстройки можно назвать величину порядка 5 кгц. При пространственном разнесении антенн критическое расстояние имеет порядок 10 длин волн. Для диапазона дециметровых волн (при дальнем распространении за счёт рассеяния в тропосфере) критическую расстройку можно оце­ нить величиной порядка сотен килогерц, а критическое расстояние— порядка 50 длин волн. Эти цифры здесь приведены в качестве сугу­ бо ориентировочных для оценки порядка ожидаемых величин.

В практически используемых системах связи, помимо простран­ ственного разнесения и разнесения по частоте, находят примене­ ние поляризационное и угловое разнесения.

Под поляризационным разнесением понимают применение в пункте приёма двух линейно-поляризованных антенн с взаимно-пер­ пендикулярным расположением плоскостей поляризации. Сигналы от обеих антенн подводятся к отдельным приёмным устройствам, после чего одним из известных в технике приёма методов осущест­ вляется их сложение. Этот метод, как показали исследования ака­ демика А. Н. Щукина [56], уступает пространственному и частотно­ му разнесению в диапазоне кв.

Под угловым разнесением понимают использование двух от­ дельных приёмных антенн (практически — двух отдельных облуча­ телей в антенне с параболическим отражателем), максимумы диа­ грамм направленности которых сдвинуты на несколько градусов по обе стороны от истинного направления на корреспондента. Этот метод находит применение в тропосферных линиях связи, где уже при незначительном отклонении антенн заметно уменьшается кор­ реляция между принимаемыми на обе антенны сигналами.

Кроме того, широкое применение находят комбинированные сисистемы разнесения (например, пространственное, частотное и т. д.). Наконец, как отметил А. А. Харкевич ([26], >стр. 61), можно осущест­ влять одновременно модуляцию передаваемого сигнала по несколь­

— 142 —

ким параметрам и, раздельно выделяя в месте приема соответст­ вующие виды модулированных колебаний, осуществлять их сложе­ ние. Этот метод эффективен как средство борьбы с замираниями, конечно, только в тех случаях, если образованные таким способом искусственные каналы связи между собой слабо коррелированы.

11.2. ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Учесть теоретически влияние всех перечисленных факторов на степень искажения телефонной передачи чрезвычайно затрудни­ тельно и вряд ли имеет практический смысл. Решающее значение здесь имеют данные, полученные экспериментально на действующих кв линиях связи при помощи проведения артикуляционных тестов.

AM обладает наиболее низкой защищённостью по отношению к искажающему воздействию замираний по сравнению с другими ви­ дами модуляции, чем и объясняется* что в настоящее время AM применяется только для радиовещательных передач в диапазоне кв, т. е. в тех условиях, когда приём сигналов осуществляется на массо­ вые, а стало быть, простые и дешёвые радиовещательные приём­ ники, в которых нет возможности применить эффективные методы борьбы с замираниями. Для профессиональных телефонных передач в магистральных кв линиях связи теперь используется ОМ (ЧМ здесь неприменима вследствие жёстких ограничений в возможности расширения занимаемой полосы частот в диапазоне кв). На тро­ посферных линиях связи, где экономия ширины спектра не имеет решающего значения, широко используется ЧМ, хотя с таким же, если не с большим, успехом может применяться ОМ.

При грубой оценке искажающего действия замираний на теле­ фонную AM передачу в первом приближении можно считать, что наиболее существенные искажения создаются из-за селективных замираний одной несущей частоты. При этом неглубокие замирания компенсируются системой авторегулировки радиовещательного приёмника, а глубокие — порождают искажения, делающие отдель­ ные слова передаваемой речи неразборчивыми. Само собой разу­ меется, что оценить в каких-то абсолютных единицах снижение ка­ чества музыкальных передач вообще не представляется воз­ можным.

В основу расчёта можно положить следующие соображения. Искажения при телефонной передаче могут быть вызваны дву­

мя различными по природе обстоятельствами. Во-первых, при рез­ ком уменьшении амплитуды несущей частоты и неглубокой моду­ ляции система авторегулировки может не обеспечить требуемого превышения сигнала над уровнем помех, вследствие чего принимае­ мый разговор на некоторый промежуток времени «потонет в шу­ мах». Во-вторых, в моменты глубокой модуляции, при резком се­ лективном снижении амплитуды несущей частоты, может насту­ пить перемодуляция, выражающаяся в снижении уровня приннмае-

— 143 —

мого сигнала основной звуковой частоты и в возникновении второй гармоники.

Нетрудно видеть, что для возникновения искажений в послед­ нем случае необходимо одновременное выполнение следующих трёх условий:

а) амплитуда несущей частоты должна резко упасть; б) замирания должны носить селективный характер, т. е., по

крайней мере, одна из амплитуд боковых частот должна иметь нор­ мальный или почти нормальный уровень:

в) - модуляция должна быть достаточно глубокой (коэффициент глубины модуляции должен иметь значение не ниже 60%).

Одновременно эти три условия возникают довольно редко, что и предопределяет и объясняет возможность удовлетворительного приёма радиовещательных передач в диапазоне кв на массовые ве­ щательные приёмники, когда единственной мерой борьбы с замира­ ниями является система авторегулировки усиления.

Рассчитать аналитически вероятность искажений довольно труд­ но, ибо для этого надо знать вероятность селективных замираний

изменилась и что график, представленный на рис. 11.1, достаточно ■полно характеризует вероятность искажений. По оси абсцисс графи­ ка отложено отношение сигиал/шум на входе приёмного устройства, выраженное в децибелах, а по оси ординат — выраженное в про­ центах число ошибочно принятых слов. Эта величина в данном

144 —

случае служит мерой искажений. Точками представлены резуль­ таты отдельных измерений. Сплошная линия представляет усред­ нённую кривую, характеризующую зависимость числа ошибок от отношения с/ш. Кривая показывает, что .при отношении с/ш поряд­ ка 40 дб число ошибок не превышает 5%.

Здесь следует также отметить, что речь идёт об ошибках при приёме специально подобранных артикуляционных тестов. При про­ слушивании осмысленного текста процентное число ошибочно при­ нятых слов, естественно, существенно уменьшается.

11.3. ОДНОПОЛОСНОЕ ТЕЛЕФОНИРОВАНИЕ

Хорошо известно, что переход от двухполосного телефонирова­ ния к однополосному с сохранением номинальной мощности мощно­ го каскада передатчика позволяет значительно увеличить отноше­ ние с/ш в месте приёма. Но не это обстоятельство является пред­ метом обсуждения настоящего раздела, поэтому ограничимся лишь напоминанием основных соотношений.

Обычно лимитирующим фактором при конструировании мощных каскадов современных кв передающих устройств является не мак­ симально допустимое значение рассеиваемой на аноде мощности, а максимально допустимое значение напряжения на контуре.

Обозначив это последнее через UMaKc> амплитуду напряжения несущей частоты при двухполосной модуляции можем определить из соотношения

где т — коэффициент глубины модуляции, откуда

мUмакс

нес ~ 1 + т '

В то же время при модуляции с глубиной т амплитуда напря­ жения боковой частоты при однополосной модуляции может быть определена из соотношения

Из теории радиоприёма сигналов известно, что при достаточном превышении сигнала над уровнем шумов напряжение звуковой ча­ стоты на выходе детектора при двухполосной модуляции опреде­ ляется выражением

т. е. при 100%-й модуляции (при т —1) оно стремится к 2, что соот­ ветствует выигрышу в 6 дб.

Поскольку, с другой стороны, при однополосном телефонирова­ нии требуется в два раза более узкая полоса пропускания по срав­ нению с двухполосным телефонированием, то мощность шумов сни­ жается в два раза, что соответствует уменьшению уровня шумов на 3 дб. В конечном итоге отношение с/ш при переходе от двухполос­ ного к однополосному телефонированию (при указанном выше ог­ раничении по максимальному напряжению) возрастает на 9 дб. Эта цифра, однако, ещё не характеризует действительного выигрыша, ибо все рассуждения велись в предположении безупречного функ­ ционирования системы двухполосного телефонирования, например, в условиях распространения земной волной. В диапазоне кв при ионосферном распространении, вследствие непрерывных флуктуа­ ций амплитуд и фаз составляющих спектра боковых полос, факти­ ческое напряжение звуковой частоты не достигает теоретического значения, определяемого ф-лой (10.3). Экспериментально установ­ лено, что в среднем фактическое значение напряжения звуковой ча­ стоты на 3 дб ниже теоретически ожидаемого. Поэтому общий вы­ игрыш в отношении с/ш при переходе от двухполосной к однопо­

сопоставление двух систем :с точки зрения отношения с/ш, сколько

— 146 —

частот , которую невозможно выделить в диапазоне коротких волн *)•

Физической причиной искажений сигналов в тропосферных ли­ ниях связи является «многолучёвость» в процессе распространения. В целях наглядности и упрощения выкладок допустим, что поле в месте приёма создаётся в результате взаимодействия всего двух лучей: одного, рассеянного нижней точкой общего объёма, и вто­ рого, рассеянного произвольной точкой внутри общего объёма.

Обозначив через р относительную амплитуду второго луча, а че­ рез А/ — разность хода между вторым и первым лучами, результи­

где V0 — фазовая скорость распространения в тропосфере, прак­ тически равная скорости света в пустоте, а

х = — — время запаздывания второго луча.

^ф

С помощью элементарных выкладок ф-лу (11.6) можно пред­

В случае тропосферного распространения разность хода лучей может во много раз превышать длину волны, вследствие чего аргу­

мент sin и cos в ф-ле (11.7) а>т=^^ представляет собой произволь- X

но большую величину.

Из общей теории искажений сигналов в линейных системах [60] известно, что условием отсутствия искажений является:

1)независимость коэффициента передачи /С(со) от частоты и

2)линейная зависимость фазы ф(<й) от частоты.

В рассматриваемом случае ни одно из этих условий не выпол­ няется. Время фазовой задержки при этом будет определяться по формуле

*) Вопрос о широкополосных системах телефонной передачи 'рассматривает­ ся в отдельной главе.

— 148

а время групповой задержки — по формуле

Действительно, напряжённость электрического поля радиовол­ ны определяется выражением

Уф

Из последнего выражения непосредственно определяем время

что совпадает с приведённой выше ф-лой (11.8).

С другой стороны, пользуясь известным соотношением

где с — скорость света в пустоте, а п — коэффициент преломления среды, в которой распространяются радиоволны, ф-ле (11.11) мож­ но придать следующий вид:

Дифференцируя последнее выражение по частоте и учитывая, что в диспергирующих средах коэффициент преломления зависит от частоты, будем иметь

Известно (см., например, [16], стр. 240), что групповая скорость распространения радиоволн определяется выражением

, dn 5 t%“f* со —

d o

пользуясь которым выражение (11.13) можно представить в виде

Но частное от деления пройденного пути на групповую скорость

— 149 —

волны представляет собой время групповой задержки, откуда непо­ средственно следует

\1 -f- Р COS (йТ /

Втех случаях, когда р<^ 1 (с таким случаем мы встречаемся, когда источником искажений является неточное согласование фиде­ ра с антенной и передатчиком или приёмником), формула допускает дальнейшее упрощение:

Такой вид выражения для времени группового запаздывания, как известно, приводит к возникновению сильных переходных иска­ жений в ЧМ системах [61]. В системах однополосной телефонии воз­ никающие искажения можно-определить следующим образом. Обо­ значим через оо несущую частоту, а через Й модулирующую часто­ ту, причём, как всегда Й ©о- В силу этого условия можно с пол­ ным основанием считать, что в пределах передаваемого диапазона звуковых частот коэффициент передачи /С(со) сохраняет постоянное значение. Будем обозначать его в дальнейшем через Ко.

Принимаемый сигнал на частоте (шо—Й) в этих условиях пред­ ставится формулой

где m — коэффициент глубины модуляции.

Разлагая выражение для фазы в ряд Тейлора и ограничиваясь

Полученное выражение показывает, что в рассматриваемых ус* ловиях несущая частота воспроизводится в месте приёма с фазо­ вым запаздыванием, а модулирующая (низкая) частота— с груп­ повым запаздыванием.

— 150 —