Инфком. СиС -2013 / ЛЕКЦИИ +ПЗ ИкСиС-2013 / Лекция №13

Лекция №13

Тема №5: ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ (продолжение)

Тема лекции: МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ

СИГНАЛОВ

Введение

Широкополосные сигналы имеют сложную структуру и, как следствие, устройства их обработки должны строится с учетом априорного знания их структуры. Реализация подобных устройств возможна на основе корреляторов, либо на основе согласованных фильтров.

5.3. Методы обработки ШПС

Устройства обработки широкополосных сигналов строятся либо на основе корреляторов, либо с использованием согласованных фильтров (СФ).

5.3.1. Корреляционная обработка

Корреляционная обработка ШПС осуществляется в два этапа:

1. Устраняется широкополосная модуляция. При этом образуется узкополосный сигнал, ширина спектра которого определяется модулирующим информационным сообщением.

2. Выделяется содержащаяся в сигнале информация. При этом используются обычные демодуляторы (ЧМн, ФМн, ОФМн).

По способу технической реализации корреляторы первого этапа обработки делятся на корреляторы прямого преобразования и корреляторы с преобразованием частоты. На рис. 5.9 приведена обобщенная структурная схема ШПСС, в которой реализован коррелятор прямого преобразования для фазоманипулированного ШПС. Слева приведен соответствующий фазовый модулятор передатчика формирующий ШПС (рис. 5.9, а), а справа - коррелятор прямого преобразования (рис. 5.9, б). При приеме в корреляторе осуществляется перемножение принимаемого фазоманипулированного сигнала непосредственно на кодовую последовательность идентичную той, которая использовалась при формировании ШПС.

а). б).

Рис. 5.9. ШПСС с коррелятором прямого преобразования

Операция демодуляции противоположна модуляции исходного узкополосного сигнала f(t,) кодовой последовательностью b(t), выполняемой в передатчике. Процесс демодуляции при условии, что уровень помехи n(t) мал и не оказывает существенного влияния на прием, а проблема синхронизации b(t) на передающей и на приемной стороне решена приведен на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Демодуляция в корреляторе прямого преобразования

для фазоманипулированного ШПС

Характер преобразования спектральной плотности помехи и сигнала в ШПСС приведенной на рис. 5.9 отражен на рис. 5.11. Процесс демодуляции ШПС приводит к модуляции помеховой составляющей в наблюдении (t) и, как следствие, расширению спектральной плотности помехи. При неизменной мощности помехи это приводит к уменьшению ее уровня относительно уровня спектральной плотности сигнала. Подобное преобразование объясняет увеличение отношения сигнал-шум при обработке ШПС.

Рис. 5.11. Преобразование спектральных плотностей

сигнала и помехи в ШПСС

Корреляционная обработка последовательно-параллельного ШПС (или сигнала с ППРЧ) осуществляется коррелятором с преобразованием частоты. Пример ШПСС с такой обработкой приведен на рис. 5.12. Слева изображена упрощенная схема формирования ШПС на передающей стороне, а справа соответствующая схема снятия манипуляции по частоте на приемной стороне.

Рис. 5.12. Коррелятор с преобразованием частоты для ШПС с ППРЧ

Основная проблема при реализации ШПСС с сигналами ППРЧ - это создание синтезатора с быстрым изменением частоты.

5.3.2. Согласованная фильтрация

Необходимо подчеркнуть, что при корреляционной обработке ШПС должна быть обеспечена синхронность опорной кодовой последовательности с модулирующей кодовой последовательностью принимаемого сигнала. Часто это затрудняет практическую реализацию устройств корреляционной обработки ШПС.

В этой связи более привлекательным является согласованные фильтры (СФ), поскольку они инвариантны к задержке сигнала. То есть при любой задержке СФ работает одинаково и будет реагировать на сигнал с той лишь разницей, что момент достижения максимума напряжения сигнала на выходе фильтра будет соответственно изменяться. Как известно, импульсная характеристика СФ h(t) связана с сигналом “зеркальности”. Например, для фильтра согласованного с k-ым вариантом ШПС S_k(t) будет справедливым соотношение

Если сигнал имеет задержку , то максимальное значение отклика на сигнал имеет место при t =  + T (где T - длительность сигнала). Синхронизация опорной и модулирующей импульсных последовательностей при этом не требуется. Опорная последовательность реализуется как “зеркальное” отображение импульсной характеристики СФ.

5.4. Синхронизация при приеме ШПС

Синхронизация при приеме ШПС сводится к оценке задержки сигнала во времени. Решение этой задачи осуществляется в два этапа:

1. Вход в синхронизм. Этот этап сводится к определение задержки сигнала с точностью до длительности элемента расширяющей последовательности _э.

2. Точная синхронизация. При этом ошибка в определении задержки уменьшается до десятых и сотых долей _э.

Ограничимся рассмотрением первого этапа.

В случае непрерывной передачи интервал неопределенности по задержке равен периоду кодовой последовательности T. Задача входа в синхронизм заключается в различении ШПС, которые отличаются только временными задержками с точностью до длительности элементарного сигнала _э.

Основной характеристикой входа в синхронизм является время входа в синхронизм при заданной вероятности ошибки входа в синхронизм, которая по существу является ошибкой различения сигналов с различными задержками кратными длительности элемента _э.

Оптимальный различитель при этом можно строить как многоканальный коррелятор с устройством сравнения (УС), причем на опорные входы разных корреляторов схемы (рис. 5.13) подаются сдвинутые на _э копии входного сигнала, перекрывая весь диапазон T неопределенности по задержке. Данная схема является достаточно сложной и ее использование в большинстве случаев нерационально.

Рис. 5.13. Схема оптимального различителя на основе

многоканального коррелятора

Более простую реализацию обеспечивает использование фильтров, согласованных с видом принимаемых ШПС. Преимущество СФ обусловленное их инвариантностью к времени прихода сигналов проявляется в полной мере в режиме входа в синхронизм. Однако реализация таких фильтров для многих ШПС в настоящее время затруднительна.

Для входа в синхронизм используются также различные другие способы и устройства, отличающиеся от оптимальных. При этом время входа в синхронизм возрастает и часто существенно. Примером такого способа является последовательный вход в синхронизм.

Суть данного метода заключается в последовательном просмотре всего интервала неопределенности одним корреляционным приемником (рис. 5.14). Прием осуществляется путем последовательного во времени изменения задержки опорной кодовой последовательности приемника по отношению к принимаемой кодовой последовательности.

Рис. 5.14. Вход в синхронизм на основе корреляционного приемника

Обычно применяется периодический сдвиг опорной кодовой последовательности, например, на длительность элементарного символа _э.

Заключение

Из рассмотренных выше ШПС на практике наибольшее распространение получили сигналы с фазовой манипуляцией по закону ПСП (сигналы с псевдошумоподобной манипуляцией) и сигналы с ППРЧ.

Сигналы с фазовой (или псевдошумовой) манипуляцией целесообразно применять при полосе частот ШПС десятки МГц, так как дальнейшее увеличение f_c связанно с трудностями разработки устройств со временем переключения в единицы наносекунд (f_c=1/_э и с ростом f_c уменьшается _э). При ППРЧ относительно просто сформировать сигнал с шириной полосы в сотни МГц. Однако необходимо учитывать, что с ростом числа используемых частот и скорости их перестройки усложняется синтезатор частот.