Корольов / Теория связи

решающей схемы можно уменьшить, воздействуя на источники помех либо на структуру приемного устройства. Поэтому все действия по борьбе с помехами подразделяются на три группы [6, 8, 20, 21]:

борьба с помехами в месте их возникновения; защита от попадания помех на вход решающей схемы;

повышение помехоустойчивости системы связи путем выбора соответствующих форм сигналов.

Борьба с помехами в месте их возникновения

Все источники помех с точки зрения борьбы с ними можно подразделить на контролируемые, находящиеся в пределах рассматриваемой системы, и неконтролируемые, находящиеся вне системы, следовательно, не поддающиеся непосредственному воздействию или регулированию.

Для уменьшения уровней сосредоточенных и импульсных помех во всех развитых странах мира разработаны законодательные акты, регламентирующие допустимый уровень и частотный диапазон электромагнитных излучений. С этой же целью существуют международные органы, разрабатывающие допустимые нормы и контролирующие их соблюдение отдельными странами.

Следует иметь в виду, что выделенный нашей стране международными соглашениями диапазон частот является национальным достоянием и эффективное его использование представляет собой не только техническую, но и государственную задачу.

Для уменьшения уровней сосредоточенных и импульсных помех до международных или государственных норм и, следовательно, для уменьшения вероятности попадания рп помехи предусматриваются:

уменьшение уровня и ширины спектра побочных излучений передающих устройств при строгой регламентации допустимой ширины полезной части спектра сигнала, а также ограничение излучаемой мощности;

экранировка излучающих блоков аппаратуры связи, постановка схем искрогашения на различных энергетических устройствах промышленной, научной, медицинской или бытовой аппаратуры;

321

целесообразное размещение электрических систем, в частности, средств связи на местности, при одновременной регламентации работы системы по времени;

оптимальное распределение и назначение частот всем видам радиотехнических систем, обеспечивающее минимально возможные взаимные помехи.

Защита от попадания сосредоточенных по спектру помех на вход решающей схемы

Защита от узкополосных помех в радиосвязи является одной из наиболее важных задач, решаемых при разработке радиоприемных и антенных устройств. Способность приемного устройства пропустить на вход решающей схемы сигнал и задержать или существенно ослабить сосредоточенные помехи называется избирательностью. Она обеспечивается благодаря отличиям сигнала от помех по направлению прихода (пространственная избирательность), по спектру (частотная избирательность), по времени существования (временная избирательность), по начальной фазе (фазовая избирательность) и по форме (избирательность по форме).

Наибольшее значение в радиосвязи имеют пространственная и частотная избирательность. Пространственную избирательность обеспечивают узконаправленные приемные антенны.

Частотная избирательность основана на том, что каскады приемника до решающей схемы обладают частотной характеристикой, пропускающей только ту часть спектра, где расположена основная мощность сигнала, и сильно подавляющей остальные участки спектра, в которых может находиться помеха. Если спектр сигнала шире спектра помехи, то иногда можно избавиться от помехи, лежащей в той же полосе частот, что и сигнал. Для этого сумму сигнала и помехи пропускают через режекторный (заграждающий) фильтр, настраиваемый так, чтобы «вырезать» ту полосу частот, где сосредоточена помеха, сохранив достаточную часть спектра сигнала, чтобы по ней можно было восстановить переданное сообщение.

Методы компенсации импульсных помех, несмотря на все их многообра-

322

323

При подаче на его вход напряжения Uвх , лежащего в пределах −U0 <Uвх <U0 , на выходе получится напряжение Uвых =Uвх [6, 42].

Но если входное напряжение превысит U0 , то выходное напряжение ока-

жется ограниченным и не будет по абсолютной величине превосходить U0

(рис.7.21,б). Если уровень ограничения U0 выбран выше максимального напря-

жения, создаваемого сигналом, флуктуационными и сосредоточенными помехами, то в отсутствие импульсной помехи тракт приемника будет линейным. При появлении импульсной помехи она окажется ограниченной по уровню U0 .

Поскольку ее длительность мала, то мала и равна ее «площадь» и спектральная плотность энергии. Такая ограниченная импульсная помеха вызовет незначительную реакцию в фильтрах решающей схемы и, следовательно, не будет создавать ошибок.

Подавление сосредоточенных по спектру помех требует строгой линейности тракта приемника вплоть до фильтра, выделяющего спектр сигнала. Ограничитель же представляет собой принципиально нелинейное устройство, и если на его вход поступят сосредоточенные по спектру помехи, то возникающие комбинационные частоты с большой вероятностью могут попасть в полосу частот, занимаемую сигналом.

Таким образом, требования к схеме приемника для защиты от импульсных и узкополосных помех оказываются взаимно противоречивыми. Для подавления импульсных помех следует вводить нелинейность (ограничитель) в той части тракта, которая предшествует фильтру, определяющему частотную избирательность. Подавление же узкополосных помех, наоборот, связано с требованием линейности этой части тракта.

Более «терпимыми» к сосредоточенным помехам являются методы защиты от импульсных помех, основанные на запирании приемника на время действия импульсной помехи. Такая схема работает в линейном режиме, пока нет импульсных помех. При возникновении импульса срабатывает устройство мгновенной автоматической регулировки усиления (МАРУ), снижающей уси-

324

ление приемника практически до нуля, т.е. до его полного запирания

(рис. 7.22).

Чтобы время запирания приемника было достаточно малым и не охватывало значительную часть элемента сигнала, необходимо устройство МАРУ располагать в широ-

кополосной части тракта, где длительность импульсов помехи существенно меньше T .

Одновременная защита от импульсных и сосредоточенных помех

Для подавления импульсных помех с сохранением удовлетворительной избирательности относительно узкополосных помех часто применяется способ, получивший название ШОУ (широкая полоса – ограничитель – узкая полоса). Его сущность заключается в том, что для подавления импульсной помехи используется амплитудный ограничитель, который включается между двумя фильтрами (рис. 7.23). Первый из этих фильтров, называемый широкополосным, обеспечивает отсеивание сосредоточенных помех, расположенных на оси частот достаточно далеко от спектра сигнала, но имеет полосу пропускания Fш

более широкую, чем полоса частот Fу , занимаемая сигналом.

Сосредоточенные помехи попадают в полосу пропускания Fш с большей вероятностью, чем в полосу частот Fу . Однако вероятность того, что в полосе пропускания Fш будет много мощных сосредоточенных помех, которые на вы-

ходе ограничителя создадут комбинационные частоты, попадающие в спектр сигнала, невелика, так как Fш не намного больше Fу . Все же помехи, которые прошли через широкополосный фильтр и ограничитель, не следует пропускать

325

на решающую схему, поскольку они могут вызвать ошибки. Для этого служит узкополосный фильтр, с полосой пропускания Fу , завершающий функции час-

тотной избирательности, в частности, узкополосный фильтр может быть согласован с сигналом [6, 42].

Заметим, что мощная помеха, прошедшая через широкополосный фильтр, может при прохождении через ограничитель «подавить» сигнал, т. е. сильно уменьшить его мощность. Несмотря на то, что последующий узкополосный фильтр и отсеет эту помеху, мощность сигнала может оказаться недостаточной для нормальной работы решающей схемы. Поэтому в схеме ШОУ всегда предусматривается большой запас усиления после узкополосного фильтра.

Для пояснения физического процесса подавления импульсной помехи в схеме ШОУ на рис. 7.24 показаны изменения огибающей импульса. На выходе широкополосного фильтра импульс имеет большую амплитуду, но относительно малую длительность. Ограничитель «срезает» амплитуду импульса и делает ее равной амплитуде сигнала, но не изменяет его длительности. В узкополосном фильтре дли-

тельность импульса увеличивается примерно в Fш раз и во столько же раз

Fу

уменьшается его амплитуда. Благодаря этому амплитуда импульсной помехи на

выходе схемы ШОУ оказывается приблизительно в Fш раз меньше амплитуды

Fу

сигнала и не вызывает ошибок.

Более эффективными путями одновременной защиты от сосредоточенных и импульсных помех, являются комбинированные методы разнесенного приема, например, разнесенный прием, одновременно по времени и по частоте. Из ветвей частотного разнесения выбирается та, в которой меньше интенсивность сосредоточенных помех, а из ветвей разнесения по времени – такая в которой

326

отсутствует импульсная помеха. Если число ветвей достаточно велико, то с большой вероятностью найдется одна ветвь, не пораженная помехой.

7.5. Компенсация помех и искажений в канале

Анализ различных показателей эффективности функционирования СЭС позволяет сделать вывод, что защитить передаваемую информацию от помех можно либо повышением энергетики линий связи (за счет увеличения мощности передатчика, применением специальных антенн и др.), либо усложнением сигналов и алгоритмов их обработки.

Первый путь во многих случаях неприемлем ввиду ограничения на излучаемую мощность по требованиям электромагнитной совместимости, техникоэкономическим, эксплуатационным и другим соображениям. Развитие элементной базы позволяет считать второй путь более перспективным.

Помехозащищенность систем связи можно повысить за счет применения широкополосных сигналов.

Широкополосными называют сигналы, у которых произведение ширины спектра на длительность намного больше единицы ( F T >>1). Такое произведение называют базой сигнала, [18].

База сигнала может быть расширена B- кратным повторением сигнала во времени, либо в отведенной полосе частот (рис.7.25).

Существует два основных способа расширения базы сигналов: скачкообразное изменение несущей частоты, при котором каждый символ

сообщения передают с помощью набора дискретных частот (fast frequency hopping) (рис.7.25,а);

прямое расширение спектра частот, за счет уменьшения длительности единичного элемента (direct sequence spreading) (рис.7.25,б).

327

В последние годы сложные сигналы стали находить применение не только в службах ведомственной связи, но и в коммерческих системах телекоммуникаций. Это объясняется постоянным ростом потребности в услугах радиосвязи, а поскольку выделенный частотный ресурс жестко ограничен, приходится использовать его более эффективно. На применении сложных сигналов базируется технология, позволяющая использовать уже занятые частотные диапазоны при соблюдении условий полной электромагнитной совместимости. В ближайшем будущем стратегия развития систем радиосвязи будет заключаться в улучшении показателей спектральной эффективности, возрастании надежности оборудования, повышении качества и снижении стоимости услуг связи. Поэтому сложные сигналы, на применении которых основана CDMA-технология, будут широко использоваться в перспективных системах связи.

Основная идея технологии сложных сигналов базируется на преобразова-

нии узкополосных сигналов с шириной спектра в широкополосные сигналы с шириной спектра ∆f = 1τ при постоянстве энергии сигналов E .

Сигналы с большой базой обеспечивают ряд преимуществ: высокую помехозащищенность систем связи:

эффективную борьбу с искажениями сигналов в канале связи:

328

одновременную работу многих абонентов в общей полосе частот за счет кодового разделения каналов:

совместимость передачи информации с измерением параметров движения объектов;

более эффективное использование спектра частот на ограниченной территории.

Общая тенденция цифровизации систем связи повышает значимость сложных сигналов. Так, одной из особенностей построения цифровых систем передачи является возможность использования аппаратуры помехозащищенной радиосвязи (АПР) входящей в состав высокочастотного тракта. АПР предназначена для формирования широкополосного сигнала на передачу и обработки его на приеме. Могут использоваться методы фазовой манипуляции широкополосными сигналами (ФМ-ШПС) (иначе называемый ФМ-ПСС – фазовая манипуляция псевдослучайными сигналами) или псевдослучайное переключение рабочих частот (ППРЧ) в сочетании с режекцией помех по частоте.

В перспективе могут найти применение более сложные виды сигналов, например, манипуляция с минимальным частотным сдвигом, с когерентным приемом. Этот вид модуляции позволяет снизить уровень внеполосных излучений, а также повысить помехоустойчивость.

Использование сложных сигналов и специальных методов их обработки в цифровых системах передачи позволяет повысить кратность разнесения при приеме, избавляясь от необходимости иметь на линии большой энергетический запас на замирания. На практике нашли применение параллельные и последовательные многочастотные сигналы.

7.5.1. Принцип работы радиолинии с ФМ ПСС (ФМ ШПС)

Широкое применение в технике связи из класса сложных сигналов нашли фазоманипулированные псевдослучайные сигналы (ФМ ПСС). Структурная схема СЭС с ФМ ПСС представлена на рис. 7.26.

329

n(t)

В состав схемы входят: ИС – источник дискретных сообщений; Гпсп – генератор псевдослучайной последовательности (ПСП); Гвч – генератор ВЧ коле-

баний; – умножитель; ФМ – фазовый модулятор; ФД – фазовый демодулятор; ПС – получатель дискретных сообщений.

(рис. 7.27,г). С выхода ФМ фазоманипулированный псевдослучайный сигнал

330