Глава 8
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
8.1. Общие сведения о приеме сигналов
На приемной стороне о передаваемых сигналах обычно имеются некоторые предварительные (априорные) сведения. Могут быть известными, например, частота несущей, вид модуляции и т. п. Сигнал, о котором заранее все известно, не несет информации, а абсолютно неизвестный сигнал нельзя было бы принять.
Известные параметры сигнала используются в приемнике для лучшего отделения сигналов от помех. Чем больше мы знаем о сигнале, тем совершеннее могут быть методы приема.
Параметры, в изменениях которых заключена переносимая информация, называются информационными (см. гл. 2,3). Изменения этих параметров на приемной стороне заранее неизвестны.
В зависимости от вида и назначения системы передачи информации при приеме сигналов возникают следующие основные задачи:
обнаружение сигналов;
различение сигналов;
восстановление сигналов.
При обнаружении сигналов задача сводится к получению ответа на вопрос, имеется на входе приемника сигнал или нет, точнее, имеется ли на входе сигнал плюс шум или только шум.
С такой задачей мы обычно встречаемся в радиолокации, она также имеет место и в системах передачи дискретной информации. Если мы в состоянии обнаружить сигнал, то появляется возможность передачи информации при помощи двоичного кода. Наличие сигнала (посылка) будет соответствовать символу 1, отсутствие сигнала (пауза) — символу 0. Этот принцип используется в системах с пассивной паузой.
При передаче двух сигналов s1 и s2 возникает задача не обнаружения, а различения сигналов. Здесь необходимо дать ответ на вопрос: имеется ли на входе приемника сигнал s1 или сигнал s2? Ответ на этот вопрос определяется уже не свойствами каждого сигнала в отдельности, а их различием. Сигналы могут отличаться один от другого своими параметрами. Очевидно, нужно стремиться к тому, чтобы различие было наибольшим и устойчивым к воздействию помех. Случай обнаружения может рассматриваться как вырожденный случай различия двух сигналов, когда один из них тождественно равен нулю.
Передача двоичным кодом, в котором каждому символу (1 и 0) соответствует определенный сигнал (s1 и s2), не равный нулю, называется передачей с активной паузой. Случай различения многих сигналов принципиально мало отличается от случая различения двух сигналов.
Задача восстановления сообщения принципиально отличается от задач обнаружения и различения сигналов. Она состоит в том, чтобы получить выходной видеосигнал v(t), наименее отличающийся от переданного сообщения u(t). При этом сообщение u(t) заранее неизвестно: известно лишь, что оно принадлежит к некоторому множеству или является реализацией некоторого случайного процесса.
Рис. 8.1. Функциональная схема обработки дискретных сигналов.
На рис. 8.1 приведена функциональная схема обработки дискретных сигналов. Принятый сигнал, искаженный помехой, в приемнике подвергается определенной обработке, детектируется и для опознавания поступает на решающее устройство. Очевидно, что вероятность правильного опознавания сигналов существенно зависит от отношения сигнала, к помехе на входе решающего устройства. В связи с этим основной задачей обработки сигналов в приемнике является увеличение отношения сигнал/шум. Обработка сигналов, как правило, сводится к тем или иным методам фильтрации.
В каскадах обработки производится также усиление сигналов до величин, при которых могут нормально работать детектор и решающее устройство.
В обычном приемнике непрерывных сигналов детекторная обработка сигналов осуществляется с помощью резонансных усилителей, обеспечивающих необходимую частотную избирательность. Функции последетекторной обработки при этом выполняются видеоусилителем (или усилителем низкой частоты). Решающее устройство в таких приемниках отсутствует. Вместо него на выходе имеется устройство, воспроизводящее или записывающее (регистрирующее) принятое сообщение.
В системах передачи дискретных сообщений основными видами обработки сигналов в приемнике являются фильтрация со стробированием, интегрирование и корреляционная обработка.
Стробирование сигнала является простейшим видом обработки. Оно давно известно и широко применяется в практике. Обработку сигналов стробированием часто называют приемом по методу укороченных контактов. При стробировании данного элемента сигнала производится отсчет его текущего значения (напряжения или тока) в определенный момент времени. Последний выбирается в той части элемента, которая в наименьшей степени подвержена искажениям. Так как статистические характеристики помех мало зависят от выбора момента времени, то момент стробирования необходимо выбирать тогда, когда полезный сигнал имеет максимальное значение. Вследствие переходных процессов в фильтрах границы элементов сигнала в значительной степени искажены, и поэтому максимальное значение сигнала, как правило, соответствует средней части элемента. Стробирование производится при помощи специальных сигналов, поступающих от системы синхронизации.
Фильтрация принимаемых сигналов может выполняться как до, так и после детектора. При использовании синхронного детектора фильтрация до и после детектора принципиально может дать один и тот же результат. Практически же обычно производят фильтрацию сигнала дважды: как до, так и после детектора.
Операция интегрирования может рассматриваться либо как процесс накопления (суммирования), либо как определение среднего значения сигнала. Любой фильтр в той или иной мере производит интегрирование поступающего на его вход колебания. При определенных условиях операция интегрирования эквивалентна фильтрации. Интегрирование, так же как и фильтрация, может осуществляться либо до, либо после детектора.
Методы приема можно классифицировать по видам применяемых детекторов, по способам додетекторной и последетекторной обработки. Различают следующие основные методы приема:
когерентный;
некогерентный;
корреляционный;
автокорреляционный.