Корольов / Теория связи

ГЛАВА 7. МЕТОДЫ ПРИЕМА СИГНАЛОВ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ

7.1. Прием сигналов в каналах с замираниями 7.1.1. Сущность замираний и их классификация

Ранее были рассмотрены методы оптимального приема сигналов в каналах с постоянными параметрами. В частности, модуль коэффициента передачи канала µ и время задержки τ предполагались неизменными, хотя и не всегда известными. Однако в ряде случаев, например в линиях радио, радиорелейной и тропосферной связи, эти величины являются переменными. Основной особенностью названных линий является многолучевое распростране-

ние радиоволн (рис. 7.1). Приня- тый сигнал является суммой сиг- налов, пришедших по М различ- ным траекториям:

M

U (t)= ∑µk S(t −τk ).

k =1

Коэффициент передачи µk = µk (t) и время задержки τk =τk (t) из-за измен-

чивости свойств среды распространения оказываются переменными. Поэтому параметры сигнала U (t)также изменяются во времени.

Многолучевость сигнала в сочетании с подвижностью пространственных неоднородностей приводит к появлению так называемых «быстрых» замираний, а также к рассеянию сигнала во времени, характеризуемом временем многолучевости τМЛ . Величина τМЛ непрерывно изменяется и зависит от протяжен-

ности сеанса связи и ширины диаграммы направленности антенн. Для малоканальных тропосферных линий максимальное время многолучевости лежит в пределах 0,07...0,4 мкс. Флюктуации времени многолучевости приводят к взаимному влиянию соседних импульсов в дискретных системах связи, а также к появлению переходных шумов в аналоговых многоканальных системах. Кроме того, изменяется время прихода сигнала (время группового замедления сигна-

301

лов), что существенно затрудняет реализацию синхронных методов приема. Изменение во времени коэффициентов передачи µk (t) называется замира-

ниями. В зависимости от поражае-

сов). Такое деление условно, поскольку существуют замирания и с промежуточными квазипериодами.

Быстрыми принято считать замирания на коротких отрезках времени, со случайным квазипериодом (в пределах от десятых долей до единиц секунд, но не более 10 мин) с глубиной до 30 дБ, подчиняющихся чаще всего релеевскому закону [6]. При приеме сигналов в разнесенных по пространству или частоте антеннах быстрые замирания, как правило, независимы или слабо зависимы.

Изменение отражающих свойств, например, за счет изменения метеоусловий в объеме рассеяния, приводит к общим «медленным» замираниям. Глубина медленных замираний составляет 20 ÷30 дБ, квазипериод – единицы минут ÷ часы, а распределение обычно подчиняется логарифмически нормальному закону. Для медленных замираний характерна коррелированность по всем ветвям разнесения.

Медленные замирания вызываются изменением условий рефракции и медленным изменением параметров тропосферных неоднородностей. Наблюдаются они обычно при прохождении теплых и холодных фронтов воздуха и образовании на трассе интенсивных инверсионных слоев, приводящих к значительному возрастанию требуемого уровня сигнала.

Наличие медленных замираний приводит к необходимости создания в системах связи «запаса» энергетического потенциала для компенсации их

302

влияния.

Плотность вероятностей величины µ выражается обобщенным законом Рэлея [6, 22, 42]:

где µ0 – регулярная составляющая коэффициента передачи; σ 2 – параметр,

характеризующий флюктуирующую составляющую; I0 ( ) – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка. Нередко регулярная составляющая µ0 ока-

зывается равной нулю и выражение (7.1) переходит в обычное распределение Рэлея:

В этом случае замирания называют рэлеевскими. Чем больше относительная величина регулярной составляющей µ0 , тем меньше глубина замира-

ний. Самыми глубокими в обычных условиях являются рэлеевские замирания. Найдем вероятность ошибок при различных видах манипуляции с учетом замираний. Если при некотором фиксированном значении µ условную вероят-

ность ошибки обозначить pµ , то безусловная вероятность ошибок при медлен-

ных общих замираниях

∞

p = ∫ pµw(µ)dµ .

0

Условная вероятность ошибок pµ вычисляется для канала без замираний.

Вычисление интеграла приводит к результату [6, 20]:

µ2

ляющих сигнала; hcp2 = µcp2 h2 ; µcp2 = µ02 + 2σ 2 – среднее значение квадрата коэффи-

циента передачи.

303

Вероятность ошибки уменьшается с увеличением среднего отношения энергии сигнала к спектральной плотности мощности помехи hcp2 , а также с уве-

личением параметра γ . Так при ОФМн (γ = 2 ) она меньше, чем при ЧМн

(γ =1) или AMн (γ = 1 2 ). Существенно влияет на вероятность ошибки пара-

метр b . Наибольшая вероятность ошибки имеет место при рэлеевских замираниях, когда b = 0 и

7.1.2. Принципы разнесенного приема сигналов

Для повышения верности приема при замираниях переданное сообщение передается не по одному, а по двум или нескольким каналам связи. С этой целью могут использоваться различные средние частоты (разнесение по частоте) или передача в разные отрезки времени (разнесение по времени). Но наиболее широкое применение получил в радиосвязи метод приема сигналов на разнесенные антенны, находящиеся друг от друга на расстоянии нескольких длин волн (пространственно разнесенный прием), или принимающие различные поляризационные составляющие электромагнитного поля (поляризационно разнесенный прием).

Повышение эффективности при разнесенном приеме достигается в том случае, если замирания в различных ветвях разнесения не коррелированны или слабо коррелированны друг с другом. Поэтому в то время, когда в одних ветвях уровень сигнала оказывается очень низким, в других ветвях он может быть высоким и по ним легко восстановить переданное сообщение. Если замирания в

304

ветвях слабо коррелированны, то вероятность одновременного падения уровней в нескольких ветвях может быть достаточно мала.

Пространственно–разнесенный прием, когда производится одновременный прием сигналов одного передатчика несколькими приемниками на разнесенные в пространстве антенны. Такой способ является наиболее распространенным. Параметр разнесения обычно задают в виде нормированного расстоя-

ния rн = r λ , где r – проекция расстояния между антеннами на направление при-

хода радиоволн; λ – длина волны. Очевидно, величина rн существенно зависит от расположения антенн относительно направления трассы связи.

Частотно-разнесенный прием, когда сигналы, передаются одновременно на нескольких частотах одним или несколькими передатчиками. При частотноразнесенном приеме величина разноса рабочих частот определяется интервалом корреляции замираний по спектру и в декаметровом диапазоне волн обычно составляет 0,5 ÷2 кГц. Частотно-разнесенный прием применяется не только для борьбы с замираниями сигналов, но и является эффективным методом повышения устойчивости KB связи при воздействии сосредоточенных по спектру помех.

Основной недостаток частотного разнесения состоит в расширении полосы частот, занимаемой системой связи, что приводит к увеличению взаимных помех, т.е. к ухудшению условий электромагнитной совместимости средств радиосвязи.

Временной разнесенный прием осуществляется с помощью многократно передаваемых на одной и той же частоте сигналов через некоторые интервалы времени. Временное разнесение сигналов накладывает ограничения на скорость передачи информации, так как интервал повторения сигнала должен превосходить среднюю длительность замираний в канале связи. Несмотря на это, принципы временного разнесения широко используются в системах с обратной связью по решению, т.е. с автоматическим запросом ошибок и повторением информации.

Эффективность того или иного метода разнесенного приема во многом

305

определяется способом обработки разнесенных сигналов на приемной стороне. Наибольшее распространение на практике получили способы линейного сложения и автоматического выбора ветви разнесения.

7.2. Методы борьбы с замираниями сигналов

7.2.1.Методы борьбы с замираниями в аналоговых системах связи

Ваналоговых системах возможен ряд вариантов разнесенного приема, отличающихся способами объединения ветвей и формирования результирующего колебания UP (t).

Всистемах связи применяются линейные методы додетекторного объединения ветвей. При этом результирующее колебание на выходе схемы объединения представляет собой линейную комбинацию M входных колебаний отдельных ветвей разнесения:

зависит от конкретного метода объединения ветвей.

Среди линейных методов объединения ветвей большое распространение в технике пространственного разнесенного приема получили простое и оптимальное линейное сложение сигналов. Кроме того, часто применяется автоматический выбор наилучшей ветви разнесения. Различают автовыбор по наибольшему значению сигнала и автовыбор по наибольшему превышению сигнала над помехой.

Система автовыбора с переключением приемников

В этой системе путем переключения приемников из M ветвей выбирается та, в которой сигнал имеет наибольшее значение. Для такой системы коэффициенты в выражении (7.3) выбираются следующим образом:

306

емников до детектора (на промежуточной частоте).

В соответствии с принципами работы системы автовыбора огибающая сигнала на выходе схемы объединения представляет собой случайную величину Ucp (t)= maxUi (t), где номер ветви i

может меняться случайно от одного интервала анализа состояния ветвей к другому (рис. 7.4).

Оценку различных систем разнесенного приема производят по вероят-

ности ошибки. Если замирания в отдельных ветвях неселективные и определяются законом Рэлея, то вероятность ошибки в рассматриваемой системе автовыбора может быть рассчитана по формуле [6, 42]:

(шума) в i -й ветви на входе приемника.

Если среднее значение отношения сигнал/шум в ветвях достаточно вели-

307

ко ( hcp2 >>1), то формулу (7.4) можно упростить:

Система автовыбора с переключением антенн

В системе автовыбора с переключением антенн при M - кратном разнесении используется всего лишь один приемник. Структурная схема такой системы при сдвоенном приеме приведена на рис. 7.6. Она состоит из двух разнесенных антенн, одного приемника и

меньше U0 , блок автовыбора переключает приемник на антенну A2 и произво-

дится прием с этой антенны, пока U2 >U0 . Если U1 и U2 одновременно будут

308

меньше U0 , то система будет находиться в состоянии поиска (периодического переключения антенн), пока хотя бы на одной из антенн сигнал не станет больше порога.

Вероятность ошибки при разнесенном приеме ЧМн сигналов с M антеннами, можно определить по формуле [6, 22, 42]:

Это выражение позволяет упростить расчеты для наиболее часто используемых систем сдвоенного приема.

Система линейного сложения сигналов

В случае линейного сложения сигналов с одинаковыми средними уровнями (средней мощностью) в каждой ветви результирующий сигнал представляет собой сумму M случайных независимых функций, имеющих обычно рэлеевские распределения замираний.

Вероятность ошибки в схеме линейного сложения для сдвоенного приема

309

сигналов ЧМн при независимых рэлеевских замираниях при hcp2 >>1 может быть

найдена по формуле [42]:

Сравнивая записанное выражение с (7.2), убеждаемся, что энергетический проигрыш при переходе от оптимального приема к линейному не превышает

0,2 дБ.

На рис. 7.8 приведена упрощенная структурная схема приемного устройства с системой линейного сложения сигналов на промежуточной частоте, принимаемых двумя антеннами [22]. В состав схемы входят два антенных устройства с высокочастотными блоками (ВЧ), смесители (СМ), гетеродины (Гет), усилители промежуточной частоты (УПЧ), устройство сравнения и автоматической подстройки фазы (ФАПЧ) и устройство автоматической регулировки усиления (АРУ).

Рис. 7.8. Упрощенная структурная схема приемного устройства с системой линейного сложения сигналов на промежуточной частоте

Линейность сложения в схеме обеспечивается общим для двух приемников устройством АРУ. При такой схеме коэффициенты усиления обоих приемников близки и определяются наибольшим из складываемых сигналов. Система предусматривает когерентность складываемых сигналов, которая обеспечивается автоматической подстройкой фазы сигнала одного приемника к фазе сигнала другого приемника в ФАПЧ. Практически это достигается автоматической

310