6. Детектирование и прием цифровых сигналов
Прием высокочастотных сигналов всегда осуществляется на фоне помех и искажений сигнала.
Помехи при распространении по эфиру создаются прочими излучающими радиосистемами (связь, радиолокация), электрическими промышленными установками (электродвигатели, системы зажигания двигателей внутреннего сгорания), неустранимым фоновым шумом эфира. В процессе распространения по эфиру сигнал подвергается изменению вследствие непрерывного случайного изменения параметров среды распространения, приобретая паразитную амплитудную и фазовую модуляции. Случайные изменения амплитуды и фазы принимаемого сигнала также могут рассматриваться как дополнительный шум.
От внешних шумов следует ясно отличать внутренние (собственные) шумы приемника, в основном теплового происхождения.
Проблема построения оптимального приемника (рис.6.1) включает в себя множество аспектов: выбор структуры высокочастотной части приемника, канала промежуточной частоты, детектора. Фильтр ВЧ и малошумящий усилитель совместно осуществляют подавление внешних мешающих сигналов и усиление полезного сигнала с минимальными шумами. Канал промежуточной частоты осуществляет перенос ВЧ сигнала на промежуточную частоту и выделение рабочего частотного канала. Эти два функциональных блока (RF канал и IF канал), называемые линейной частью приемника, являются в значительной степени общими для всех типов приемников и сигналов.
RF
канал
ГетеродинIf канал
ВЧ фильтр Малошумящий
усилитель Смеситель Фильтр ПЧ
Детектор
Тактовая синхр.
ВЧ синхр.
Детектор Оптимальный фильтр Пороговое
устройство
Рис.6.1. Функциональная схема приемника
Существенно, что RF и IF каналы приемника являются широкополосными и линейными по отношению к модулированному сигналу. Линейность и широкополосность радиоканала гарантирует сохранение временной формы (спектра) комплексной огибающей, и, соответственно, отсутствие межсимвольных искажений. Параметры линейной части приемника определяются, главным образом, требованиями электромагнитной совместимости, практически не зависят от вида принимаемого сигнала и слабо влияют на достоверность приема информации.
Очевидно, что тракт приемника обязательно должен содержать некоторые нелинейные элементы, которые только и могут осуществлять преобразование спектра, т.е. в конечном счете, осуществить функцию, обратную модуляции: выделить спектр модулирующего сигнала из модулированной несущей. Для сохранения линейности всего приемного тракта, эти нелинейные элементы (смеситель, детектор) должны быть нелинейными по отношению к опорным частотам, которые и являются источниками комбинационных частот. Для принимаемого модулированного сигнала и смеситель, и когерентный детектор линейны и просто осуществляют перенос спектра сигнала из одной области частот в другую без его изменения: смеситель переносит спектр модулированного сигнала на промежуточную частоту, когерентный детектор переносит спектр модулированного колебания в baseband диапазон. Линейность всего тракта приемника совместно с фильтрами Найквиста в baseband диапазоне теоретически обеспечивает отсутствие межсимвольных искажений в приемнике и максимально достоверный прием информации.
При использовании некогерентного детектора, который является нелинейным элементом и по отношению к несущей частоте, происходит искажение спектра комплексной огибающей и, как следствие, к появлению межсимвольных искажений.
Детектор (когерентный или некогерентный) осуществляет преобразование модулированного ВЧ сигнала в модулирующий сигнал или, иначе, перенос спектра модулированного ВЧ колебания в baseband диапазон. Для правильной работы синхронного детектора в приемнике осуществляется синхронизация опорной частоты когерентного детектора с несущей частотой принимаемого сигнала.
Последетекторный baseband фильтр (оптимальный или узкополосный) удаляет из спектра демодулированного сигнала побочные продукты детектирования и формирует оптимальную полосу сигнала. Побочные продукты детектирования (комбинационные частоты) естественно появляются как результат работы нелинейного устройства. Оптимальность фильтрации подразумевает формирование такой полосы частот демодулированного baseband сигнала, которая обеспечивает максимальное соотношение сигнал/шум при минимальном искажении информации, заключенной в принятом сигнале.
Пороговое устройство осуществляет сравнение амплитуды демодулированного сигнала с некоторыми фиксированными значениями и принимает решение о том, какой именно информационный символ принят в текущий момент времени. Обязательная синхронизация работы порогового устройства с тактовой частотой принимаемого цифрового сигнала обеспечивает считывание амплитуды демодулированного сигнала в оптимальный момент времени. Необходимость синхронизации очевидна при использовании в передатчике baseband фильтра обкатки, уменьшающего полосу частот модулирующего сигнала. Форма модулирующего сигнала при фильтрации искажается, но применение фильтров, отвечающих критерию Найквиста, гарантирует отсутствие межсимвольных искажений при снятии отсчетов в определенные моменты времени на символьном интервале TS .
Таким образом, общую блок-схему приемника можно условно разделить на две части. Каналы высокой RF и промежуточной IF частоты, называемые вместе линейной частью приемника, не связаны с обработкой информации. В линейной части приемника осуществляется выделение рабочей частоты из общего радиоспектра, предварительное усиление сигнала, перенос сигнала на промежуточную частоту, выделение конкретного рабочего канала. Достоверность приема информации определяется типом детектора, последетекторного фильтра и решающим устройством (тактовой синхронизацией). Параметры именно этих устройств определяются видом модуляции и типом модулированного сигнала.
В настоящем разделе рассматриваются проблемы оптимального детектирования цифровых сигналов на фоне белого гауссовского шума AWGN (Average White Gaussian Noise) и оптимальной последетекторной фильтрации. При этом предполагается, что сигнал без искажений прошел линейную часть приемника и характеризуется некоторым отношением сигнал/шум на входе детектора.