Корольов / Теория связи

подстройкой фазы одного из гетеродинов приемника.

Система оптимального линейного сложения сигналов

Принципиальным недостатком линейного сложения сигналов с одинаковыми весовыми коэффициентами является то, что ветви с плохим отношением сигнал/шум вносят заметный вклад в шумовую составляющую результирующего колебания и незначительный в сигнальную составляющую. Если выбирать весовые коэффициенты ki при линейном объединении ветвей так, чтобы они учитывали фактическое состояние каждой ветви, определяемое величиной hi2 ,

то при определенном правиле такого выбора можно добиться максимального отношения сигнал/шум на выходе устройства объединения. Так как величина hi2 в каждой ветви обычно медленно меняется во времени, то возможно обеспе-

чить такое изменение весовых коэффициентов ki для всех ветвей, при которых величина отношение сигнал/шум на выходе схемы объединения достигает своего максимального значения.

Вероятность ошибки при оптимальном линейном сложении ЧМн сигналов в условиях рэлеевских замираний можно рассчитать по формуле [6, 42]:

Сравнивая соотношения (7.8), (7.7), (7.6), (7.5), характеризующие вероятность ошибки при применении соответствующей системы разнесенного приема, можно сделать вывод, что схема оптимального линейного сложения сигналов обеспечивает наибольшую помехоустойчивость.

Для более полной характеристики методов разнесенного приема необходимо располагать законами распределения огибающей сигнала на выходе схемы объединения. Указанные кривые законов распределения для систем разнесенного приема при автовыборе и оптимальном линейном сложении ( M = 2 и M = 3 ) приведены на рис. 7.9 [42].

311

На этом же рисунке представлен закон Рэлея, соответствующий одиночному приему флуктуирующего сигнала ( M =1). Из анализа рисунка следует, что при увеличении числа ветвей разнесения кривые распределения для оптимального линейного сложения смещаются вправо, приближаясь к нормальному распределению.

7.2.2. Методы борьбы с замираниями в цифровых системах связи

Основным методом повышения помехоустойчивости цифровых линий связи в условиях быстрых замираний также является разнесенный прием. Вместе с тем в цифровых системах передачи данных могут быть эффективно использованы широкополосные и составные сигналы, решающая обратная связь в сочетании с помехоустойчивым кодированием, а также методы адаптивного приема. Адаптация может производиться либо на приеме, либо на передаче. В последнем случае для получения информации о состоянии прямого тракта и соответствующего изменения параметров передаваемого сигнала используется канал обратной связи.

Наряду с известными методами разнесения (пространственным, частотным, угловым) особое внимание в цифровых системах уделяется комбинированным методам, например, частотно-временному, при котором предполагается использование последовательных или параллельных многочастотных сигналов (МЧС). Последовательные и параллельные МЧС при фазовой манипуляции показаны на рис. 7.10, где – длительность информационной посылки; τi

– длительность передачи информационной посылки на частоте; fk

– частоты МЧС. Очевидно, применение последовательного или парал-

лельного МЧС предполагает использование соответственно одного или не-

312

скольких передающих устройств.

Частотное разнесение может осуществляться одним или несколькими передатчиками, но для передачи M сигналов одним передатчиком требуется его значительная пиковая мощность и высокая линейность амплитудной характеристики. Поэтому, как правило, параллельный МЧС реализуется несколькими передатчиками.

Адаптивный прием сигналов основан на возможности измерения характеристик канала передачи сигналов и использовании полученных данных для соответствующей регулировки параметров передаваемого сигнала. Условием создания замкнутых адаптивных систем является наличие канала обратной связи. Упрощенная структурная схема адаптивной линии связи приведена на рис. 7.11. Она может обеспечивать функционирование линии как с одной, оптимальной в текущий мо-

мент времени частотой (fi ),

так и с группой частот (f1, f2 ,..., fM ). Достоинство та-

кой схемы – уменьшение габаритов и массы оборудования. Недостатками схемы являются наличие обрат-

ного канала, возможность реализации только автовыбора, а также переходные процессы вследствие переключений.

Обратная связь может быть использована для получения сведений об ис-

313

кажениях сигнала в прямом канале до демодуляции (обратная связь по сигналу). При этом на передающую сторону поступает информация об уровне сигнала или его искажениях. Обратная связь может быть также по сообщению. В этом случае она связывает выход демодулятора или декодирующего устройства с соответствующими блоками на передаче. При этом контролируются не только сигналы, но и решения, принимаемые приемным устройством. При передаче дискретной информации можно использовать оба типа обратной связи, тогда как для аналоговой информации используется только первый.

В реальных многолучевых каналах цифровой связи ошибки имеют тенденции к группированию. Основной причиной этого является падение значения сигнала ниже допустимого, при котором появляются длинные серии ошибок. Для борьбы с этим явлением трудно использовать какой-либо исправляющий код, поскольку требуемая избыточность кода будет очень велика.

Для борьбы с сериями ошибок можно использовать временное разнесение сигналов, основанное на передаче одной и той же информации в моменты времени, отстоящие друг от друга на время ∆t , превышающее длительность замираний.

Возможным путем реализации помехоустойчивой передачи информации в этих условиях является создание системы с декорреляцией ошибок. При этом сообщение кодируется обычным способом, но соседние символы кодовой комбинации передаются по радиоканалу не в реальном масштабе времени, а через промежутки времени, близкие к ∆t . В свободные промежутки времени передаются символы других кодовых комбинаций.

7.3. Методы борьбы с межсимвольной интерференцией

Особенностью радиосвязи на большие расстояния часто является передача информации в условиях общих замираний и межсимвольной интерференции.

Межсимвольная интерференция (МСИ) это искажения сигнала за счет откликов на более ранние символы, которые могут проявлять себя как помехи. МСИ зависит от вида АЧХ и ФЧХ фильтров в тракте передаче, структуры и па-

314

раметров кодовой последовательности.

7.3.1. Причины возникновения и сущность межсимвольной интерференции

Спецификой многих линий дальней радиосвязи (тропосферных, спутниковых и др.) является многолучевый характер распространения радиосигнала (рис. 7.1). Сигнал в точке приема представляет собой сумму большого числа элементарных сигналов с разными амплитудами и случайным временем запаздывания. Отдельные лучи могут запаздывать друг относительно друга на зна-

чительную величину, что и вызывает МСИ. В зависимо- сти от степени искажения формы импульса различают большие (рис. 7.12) и малые

315

7.3.2. Обработка сигналов в каналах с межсимвольной интерференцией

Помехоустойчивость цифровых радиосистем в низкоскоростном режиме работы характеризуется малым влиянием помех межсимвольной интерференции (МСИ), поскольку в этом случае длитель-

∆τмл ность импульса (T ) много больше времени многолучевости ( ∆τмл ) (рис. 7.14). В

общем случае для борьбы с МСИ приме-

няются следующие методы.

Прием со стробированием импульсов

Применение многопозиционных сигналов

Использование многопозиционной манипуляции с основанием кода m > 2 позволяет уменьшить техническую скорость передачи B по сравнению с ин-

316

формационной скоростью V в log2 m раз. Например, при четырехпозиционной манипуляции log2 4 = 2 BV = 0,5 , т.е. длительность элементарных посылок, излу-

чаемых передатчиком, увеличивается в два раза.

Оптимальный метод приема требует разработки алгоритмов разделения лучей, их фазирования, взвешивания по максимуму отношения сигнал/шум (масштабирования) и квазикогерентного весового сложения.

7.3.3. Помехоустойчивость в каналах с межсимвольной интерференцией

Помехоустойчивость в условиях МСИ оценивается вероятностью ошибки

[42]:

где λE – параметр учитывает метод манипуляции: для когерентного приема ОФМн λЕ = 2,7 ÷3; для некогерентного – λЕ = 2 . Приведенное выражение отно-

сится к случаю однократной передачи (одной ветви приема).

Вероятность ошибки с использованием основных методов устранения межсимвольных помех находится по следующим формулам.

При введении защитного интервала на передаче или приеме:

Для случая применения m - позиционного кодирования:

Если используется обратная связь по решению, то:

где R и β – параметры описывающие импульсную реакцию канала.

На основе расчетов построены графики (рис. 7.17), позволяющие сравнить помехоустойчивость СПИ в условиях МСИ. Как видно из рисунка, ис-

317

7.4. Прием дискретных сообщений в каналах с сосредоточенными по спектру и импульсными помехами

В реальных каналах связи наряду с флуктуационными гаусовскими помехами типа белого шума действуют сосредоточенные по времени (импульсные) помехи и сосредоточенные по спектру помехи.

7.4.1. Общая характеристика сосредоточенных по спектру и импульсных помех

Во многих случаях помеха состоит из отдельных импульсов, длительность которых τп существенно меньше длительности элемента сигнала T [6, 8],

а спектр помехи значительно шире спектра сигнала. Такие по-

мехи называются импульсными

(рис. 7.18).

Ксосредоточенным по

времени (импульсным) помехам относятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсивности и длительности, следующих через случайные, достаточно большие промежутки времени. Причинами импульсных помех являются грозовые разряды, радиостанции, работающие в импульсном режиме, линии электропередачи и другие энергоустановки, системы энергообеспечения транспорта и др.

318

Поскольку далеко не всякий элемент сигнала принимается в присутствии сосредоточенной помехи, то вероятность ошибки p можно выразить произве-

дением:

(7.9)

где pп – вероятность того, что на вход решающей схемы поступила сосредо-

точенная помеха, а p(оп) – условная вероятность того, что произойдет ошибка

символа при воздействии сосредоточенной помехи, которая зависит от мощности сигнала, мощности сосредоточенной помехи, вида сигнала, частоты сигнала, частоты помехи и т.д. Для различных систем связи определены аналитические зависимости условной вероятности ошибок от названных факторов, эти зависимости можно найти в специальной литературе [6, 8].

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в любых системах связи существует некоторое отношение Pп Pc = k , называемое

319

порогом или коэффициентом помехоустойчивости, такое, что при Pп Pc < k ус-

ловная вероятность ошибки p(оп) 0 . Если же отношение Pп Pc выше k , то ус-

ловная вероятность ошибки может быть велика. Экспериментальные исследо-

фициент k различен для разных систем связи. Так, для когерентной системы с фазовой манипуляцией k =1 , для системы с амплитудной манипуляцией k = 12 .

Коэффициент k может быть и значительно выше единицы, если используются широкополосные сигналы, занимающие полосу частот F >> T1 .

Воздействие импульсной помехи

Для вероятности ошибки, вызываемой импульсной помехой, также справедливо выражение (7.9), где под pп следует теперь понимать вероятность того,

что за время существования элемента сигнала на вход решающей схемы посту-

пил импульс помехи, а под p(оп)= 0,5 – условную вероятность ошибочного

приема символа, при условии прихода импульса помехи. Воздействие импульсной помехи на прием дискретных сигналов тоже носит пороговый характер. Если интенсивность импульсной помехи (на входе решающей схемы) меньше некоторой величины, то она не вызывает ошибок, т. е. p(оп)= 0 . При увеличе-

нии интенсивности сверх этой величины условная вероятность ошибок быстро возрастает.

7.4.2. Борьба с сосредоточенными и импульсными помехами

Борьба с сосредоточенными и импульсными помехами может быть направлена либо на понижение вероятности pп попадания помехи с уровнем бо-

лее порогового на вход решающей схемы, либо на уменьшение уровней веро-

ятности ошибки p(оп). В свою очередь, вероятность попадания помехи на вход

320