flesh / Книга / 11_g

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

ные»радиоволны позволяютустанавливатьсвязьв пределахземного шара (рис. 11.2).

Ионосфера

Земля Рис. 11.2. Многоскачковое распространение радиоволн

Какужеуказывалось, степеньионизации ивысота отражающего слоя зависят от времени суток, сезона и активности Солнца. В результате условия распространения изменяются, причем по-разному для разныхдлин радиоволн. Так, СДВ-волны отражаютсяотионосферыи днем, и ночью, а СВ- и ДВ-волны – наиболееинтенсивно ночью.

Обратим внимание на нежелательный эффект, вызванный одновременным приходом в точку приема отраженных от ионосферы радиоволнирадиоволн,распространявшихсявдольповерхностиЗем-

ли (рис. 11.3).

Ионосфера

Наложение колебаний, сдвинутых на некоторую случайную величину по фазе вследствие разности хода, приводит к появлению интерференции. Изменение состояния отражающих свойств ионосферы приводит к медленным флуктуациям замираний – федингу.

11

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Способностьрадиоволн СДВ-диапазона проникатьвповерхностный слой Земли и в морскую воду позволяет осуществлять радиосвязь с подводными и подземными получателями информации.

В СВ-диапазоне дальность связи ночью больше, чем днем, так как днем велико их поглощение в ионосфере. Обратим внимание на существование ближней и дальней зон приема. Между ними находится пространствос соизмеримыми уровнями поверхностных и отраженных радиоволн. Естественно, в случае противофазногоих сложения интерференционныезамирания достигают максимума и связь начинаетпрерываться.

РадиоволнывКВ-диапазонесущественнопоглощаютсяподсти- лающей поверхностью и дальность радиосвязи вдоль поверхности Земли непревышает100км, однакоинтенсивно, смалыми потерями, они отражаются от ионосферы. В результатеотражения радиосигнал имеет достаточный уровень для его уверенного приема при сравнительно небольшой мощности передатчика. Этот диапазон очень давно был освоен радиолюбителями, так как позволяет с использованием передатчиков мощностью в десятки – сотни ватт устанавливать сверхдальние связи по всему Земному шару.

Свойство отражений от ионосферы заключается в том, что оно в отличиеот зеркальногоотражения образуетсравнительноширокий угол. В результате формируется зона уверенного приема и «мертвая зона». Частьэнергиинаправляемогона ионосферурадиосигналараспространяется по отражающемуслою как попроводнику, а часть покидает пределы Земли (рис. 11.4).

Ионосфера

Рис. 11.4. Распространение радиоволн в КВ-диапазоне

12

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

Отметим, что при излучении радиоволн под большим углом к поверхности Земли радиосигналы высокихчастот покидают атмосферу Земли. Определены углы, позволяющие добиться максимального отражения радиоволн и обеспечить, следовательно, достаточнуюэнергию взонеприема. Ноименнопоэтой причинеотраженные сигналы невозможно принимать в «мертвой зоне». Радиоволны, направленные вдоль поверхности Земли, не обеспечат «мертвую зону» достаточнойэнергиейдляприема,таккакпрактическизатухнутвследствие потерь. Радиоволны в УКВ-диапазоне и выше – СВЧ-, КВЧ-, ГВЧ- – распространяются по прямой (некоторые отклонения несущественны и их в системах передачи информации можно не рассматривать). Вследствие слабой дифракции они проходят сквозь ионосферу и достигают космических объектов. В условиях распространения радиоволн вдоль поверхности Земли необходимо учитывать их отражения от Земли, в результате которого возникает многолучевое распространение, приводящее в точке приема к замираниям сигналов, аналогичных наблюдаемому в длинноволновых поддиапазонах. Крометого, имеет месторассеяниерадиоволн внеоднородностях атмосферы, в результате чего возникает еще один вариант радиоканала (рис. 11.5).

Н = 2 – 3 км

Рис. 11.5. Многолучевое распространение радиоволн УКВ-, СВЧ- и КВЧ-диапазонов

Многолучевость распространения позволяет получать радиосвязь на расстояниях, на порядок превышающих видимость по прямой. Неоднородностивионосфереприводятквозникновениюрадио-

13

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Рис. 11.6. Дальнее распространение радиоволн в протяженных неоднородностях

канала на расстоянии в тысячи километров (рис. 11.6). Наличие следов от метеоров, создающих условия для переотражения, позволило создать радиосистемы, реализующие так называемую «метеорную» радиосвязь, а также условие для дальнего распространения радиоволн в УВЧ- и СВЧ-диапазонах при использовании четко выраженных протяженных неоднородностей. В результате возникают дальние радиотрассы.

11.2.2.Структура систем передачи информации

Влюбой системе передачи информации имеется собственно источник информации. Его физическая природа может быть крайне разнообразна – это речь, изображение, сведения о состоянии какоголибообъекта (например, еготемпература или же параметр вибраций

ит.п.), выходпотока импульсовсвычислительногосредства и т.д. Но объединяет их общее понятие – информация, которая содержит сведения об объекте, явлении, событии. Для того, чтобы передавать и хранить информацию, ее необходимо, как правило, преобразовать в удобный вид. В нашем случае это электрические колебания. Определив, какиеизпараметров электрическихколебаний намцелесообразноиспользовать для передачи информации, формируем необходимое множество символов, описывающих состояние источника информации. Передаваемая спомощью последовательности символов информация называется сообщением. Источники информации могут быть как непрерывные (температура), так и дискретные (вычислительные

14

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

средства). Различие их с точки зрения описания заключается в том, чтодля описания дискретных источников информации используется дискретное множество, а для непрерывных – непрерывное, которое может находиться в одном из бесконечного множества возможных состояний.

Сообщение может быть предназначено как для одного, так и для множества получателей (телевизионнаяпередача и т.д.)Дляописанияи анализарадиосистемыпередачиинформацииможноограничитьсяпростейшим случаем одного получателя информации. Так как речь идет о «передаче» информации, вполне очевидно, что в системе местоположения источника и получателя информации разнесены в пространстве. Следовательно, в систему входит «канал передачи информации». В общем случае его природа определяет вид материального переносчика информации(бумага,свет,звук,электромагнитнаяволна).Таккакобъектом данного изучения являются радиотехнические системы передачи информации (РСПИ), то рассматриваем свободное пространство, в котором распространяются электромагнитные колебания, с позиций радиотехники являющиеся полезным сигналом. Так как речь идет об открытом пространстве, в котором возможны электромагнитные колебанияразличногопроисхождения, очевидно, длярассматриваемой РСПИ они являются помехами. В радиотехнике всегда учитывается наличие помех. С этихпозиций каналсвязи можнопредставитьввидеструктурной схемы (рис. 11.7).

Источник

помех

Рис. 11.7. Канал связи

15

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Система передачи информации, помимо канала связи, должна включать в себя преобразователь первичной информации в электрический сигнал (кодер источника) и устройство, преобразующее принятый сигнал в форму, аналогичную полученной от источника сообщения (декодер источника).

Задача кодирования заключается в преобразовании сообще-

ния a(t) в сигнал u(t) (волнистой чертой обозначаем случайность),

который затемпоступаетна входпередающегоустройства (рис. 11.8).

Рис. 11.8. Структурная схема системы передачи информации

В случае, если предполагается непрерывное сообщение передавать в виде дискретных посылок, например, цифровыми методами, то необходимо осуществлять операции дискретизации по времени и квантования по уровню.

Кодирование сообщения можно рассматривать как преобразование дискретного сообщения в последовательность кодовых символов, осуществляемое по некому правилу (а именно – установление взаимного соответствия между ними). Множество кодовых комбинаций, возможных при принятом правиле, образуют код. Символы, используемые для образования кода, являются алфави-

16

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

том кода, а их число – основанием кода. Число символов в различных кодовых комбинациях может быть постоянным или переменным. Различают, следовательно, коды равномерные и неравномерные. При равномерном кодировании число символов в кодовой комбинации является длиной кода. Более подробно вопросы кодирования будут рассмотрены в гл. 16.

Дляпередачиинформациичерезрадиоканалнеобходимоиспользовать высокочастотные колебания, т.е. осуществить модуляцию высокочастотного сигнала низкочастотным, содержащим полезную информацию. Эту операцию можно описать с помощью оператора V:

S(t) V U(t), f (t) ,

где f(t) – высокочастотный сигнал.

Как ранее было сказано, в канале передачи информации на полезный сигнал накладываются мешающие колебания, помехи, которые ухудшают качество приема сообщения. Действие помех опишем с помощью оператора U:

Возможны несколько вариантов воздействия помех. Если

то имеем дело с аддитивной помехой, т.е. суммирующейся с полезнымсигналом. Увеличиваяуровень S(t), можноулучшитьотношение сигнал/помеха. Если же

тоимеемпроизведениесигнала спомехой, и эта помеха –мультипли- кативная. Так как она перемножается с сигналом, ее еще называют «модулирующей». Увеличение S(t) не позволит улучшить отношение сигнал/помеха, так как глубина модуляции останется относительно единицы той же.

Очевидно, при соизмеримых значениях аддитивной и мульти-

17

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Задачей приемного устройства является выделение полезного

сигнала Uˆ(t) из принятого колебания Sвх пр(t), искаженного помеха-

ми. Необходимо осуществить две операции:

–обработкой вприемномустройствепринятогоколебанияулучшить отношение сигнал/помеха. Методы решения этой задачи будут рассмотрены в последующих главах. Сейчас лишь заметим, что эти операции осуществляются как с высокочастотным сигналом, так и после демодуляции;

–удаление высокочастотного несущего колебания путем демодуляции (детектирования) принятого приемником ВЧ-сигнала. Работу приемника описываем с помощью оператора W:

Uˆ(t) W Sвх пр (t) ,

где Uˆ(t) – оценка ожидаемого сообщения.

Длявосприятияполучателемсообщениявудобномформате,как уже говорилось, необходимо электрический сигнал Uˆ(t)преобразоватьвформупервичного– aˆ(t) . Если с выхода источника сообщения

получаемнекую информацию a(t) , случайнуюдля получателя, тоон

использует уже некую оценку этой информации aˆ(t) , в той или иной

степени соответствующей переданной.

Радиотехнические системы передачи информации отличаются большим разнообразием. Это связано с видом передаваемых сообщений, используемых радиосигналов, принципов построения и режимов использования. Таким образом, возможны несколько видов классификации.

По виду передаваемой информации различают РСПИ, осуществляющиепередачуречи, телеграфных сообщений, данных, телевизионныхизображений,факсимильной передачи,телеметрии, команд.

Отметим,чтопоформепредставленияинформации приняторазличатьнепрерывные,дискретные(импульсные),цифровыесообщения.

По числу каналов РСПИ подразделяются на одноканальные и многоканальные, с обратным каналом и без него.

18

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

ПорежимуиспользованияканаларазличаютРСПИодносторонней (симплексные) и двухсторонней связи (дуплексные), а также и полудуплексные, в которых, каквдуплексных, возможна связьвдвух направлениях, но поочередно, как в симплексных.

Помеханизмураспространениярадиоволнразличаютионосферные, тропосферные, метеорные и космические РСПИ.

Возможна классификация РСПИпорасположению впространстве (комплексная РСПИ, сеть), виду модуляции, способу уплотнения информации, способу доступа и т.п.

Для того, чтобы охарактеризовать качествоРСПИ, используются различные показатели. Это информационно-технические (достоверность, помехоустойчивость, скорость передачи, диапазон частот

идр.) и конструктивно-эксплуатационные (масса, объем, энергопотребление, эксплуатационная надежность, стоимость, мобильность

идр.). Охарактеризуем наиболее существенные с точки зрения основной функции РСПИ – передачи информации.

Достоверность передачи информации характеризует, в какой степени принятые сообщения соответствуют переданным. Безусловно, она зависит от целого комплекса различных факторов. Это и параметры системы, заложенные при проектировании, и ее техническоесостояние, и условияфункционирования. Каждый изэтих факторов распадается, в свою очередь, на более подробные, например условияфункционированияопределяютсявидомлинии передачи информации, помеховой обстановкой, выполнением правил использования аппаратуры, внешними воздействиями.

Критерии близости принятого сигнала переданному зависят от типа РСПИ. В случае передачи дискретных сообщений под воздействием помех происходит переименование символов в цифровых и искажениевимпульсныхсистемах. Тогда характеристикой достовер-

ности передачи будетлибовероятностьправильногоприема рпр, либо вероятность ошибки рош = 1 – рпр. При передаче непрерывных сообщений качество системы можно оценить с помощью разности

19

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Достоверность передачи определяется величиной среднего квадрата ошибки

Усреднение проводится по всем реализациям сообщения a(t) и

Tc

ихоценкам aˆ(t); Pa 1 a2 (t)dt –средняямощностьсообщенияa(t);

Tc 0

Tc – длительность сообщения; P – мощность помехи на выходе приемника.

Показатели (11.6) и (11.7) аддитивны и при анализе линейных систем позволяют учитывать одновременно действующие независимые факторы:

2 i2 ; 2 i2 ,

i i

где i2 и i2 – составляющие, связанные с i-м фактором.

Для ряда случаев целесообразно использовать оценку, определяющую вероятность непревышения ошибки заданного порога 0:

0

P 0 Wi ( )d ,

0

где Wi( ) – одномерная плотность распределения вероятности ошиб-

ки (t).

Возможна оценка РСПИпопоказателюмаксимальной абсолют-

ной ошибки max max (t) .

ПомехоустойчивостьРСПИхарактеризуетееспособностьпротивостоять действию помех. Она также зависит от многих энергетических и информационных факторов. Количественноона характеризуется вероятностью ошибки Pош при заданном отношении средних мощностей сигнала и помехи в полосе частот, занимаемой полезным

20