h2 = Ec En
SФМПСС (t)
(рис. 7.27,д) поступает в линию связи.
На приемной стороне генератор ПСП синхронизирован с передающим генератором ПСП и выдает на вход умножителя точно такую же псевдослучайную последовательность (рис. 7.27,е). На выходе умножителя будет наблюдаться фазоманипулированная последовательность с изменениями фазы колебания не чаще, чем через длительность T (в соответствии с длительностью первичного сигнала) (рис. 7.27,ж). Пройдя через полосовой фильтр ( F = 1T ), радиосигнал поступает на вход фазового демодулятора, с выхода которого получателю будет поступать исходное информационное сообщение со скоростью Vи (рис. 7.27,з).
Нетрудно показать, что база ФМ ПСС B = F T = T τи =VT Vu , где T – длитель-
ность информационного символа; τи – длительность импульса ПСП.
7.5.2. Помехоустойчивость радиолинии с ФМ ПСС
Помехоустойчивость радиолинии передачи дискретных сообщений характеризуется вероятностью ошибки на выходе демодулятора. Оценим, как будет изменяться вероятность ошибочного приема при применении широкополосного сигнала с базой B .
Для определенности положим, что мощность преднамеренной помехи значительно больше мощности внутренних шумов приемника и что энергия помехи равномерно распределена во всей полосе частот радиосигнала ∆f .
Отношение сигнал/помеха на входе приемника
2 |
Ec0 |
|
Ec0 |
, |
hвх = |
|
= |
|
En0 |
G(f ) ∆f |
где Ec0 – энергия единичного импульса ПСП; En0 = G(f ) ∆f – энергия помехи в полосе ∆f ; G(f ) – спектральная плотность мощности помехи.
При когерентном способе обработки ФМ сигнала Рош = [1− F(
2h2 )], где
– отношение сигнал/помеха (ОСП) на входе демодулятора.
Энергия сигнала на выходе полосового фильтра, согласованного с шири-
331
ной спектра первичного сигнала длительностью T , Ec = B Ec0 , а энергия помехи Еп = B G(f ) ∆F = B G(f ) ∆Bf = En0 . Отсюда h2 = Ec En = B hвх2 , т.е. ОСП на входе демодулятора в B раз больше, чем на входе приемника. Таким образом, для ФМ ПСС при когерентном способе обработки
pФМПССкг = [1− F(hвх 
2B )].
При некогерентном способе для ОФМ ПСС:
pОФМПССнкг = 12 e−B hвх2 .
Следовательно, если использовать широкополосный сигнал с базой намного большей единицы это позволит получить выигрыш в отношении сигнал/шум на входе демодулятора в B раз.
7.5.3. Принципы работы радиолиний с ППРЧ
Системы связи, использующие для передачи информации несколько частот, выбираемых по определенному закону, называют системами связи с псевдослучайным переключением рабочих частот (ППРЧ). Структурная схема системы связи с ППРЧ представлена на рис. 7.28.
Поясним принцип работы схемы. На один вход умножителя подается сигнал на промежуточной частоте с выхода модулятора, на второй вход – частота с выхода генератора рабочих частот (Грч). Генератор рабочих частот вырабатывает ряд частот, которые по определенному закону подаются на вход умножителя. Частота сигнала в радиолинии будет изменяться в соответствии с этим законом.
На приемной стороне осуществляется обратная операция за счет синхронной работы генераторов рабочих частот приемника и передатчика.
|
В системах связи с ППРЧ передавать информацию можно с помощью мо- |
дуляции любого вида, хотя реализация ФМ затруднена из-за сложности обеспе- |
чения фазовой синхронизации радиосигнала на различных частотах. |
|
Различают системы связи с быстрым и медленным ППРЧ [18]. Если время |
работы радиолинии на одной частоте (Тпер ) соизмеримо или менее длительности |
информационного символа Тпер ≤ Ти |
(рис. 7.29,а), то ППРЧ называют быстрым |
(рис. 7.29,б). Если Тпер > Ти , то такое ППРЧ называют медленным (рис. 7.29,в). |
|
По порядку использования рабочих частот различают системы связи с по- |
следовательным |
|
ППРЧ, |
S(t) |
|
если в каждый |
момент |
|
|
времени передача ведет- |
SППРЧ (t) |
Ти |
ся |
на |
одной |
частоте |
Тпер |
(рис. 7.29,б) и с парал- |
|
|
лельным |
ППРЧ, |
если |
|
|
передача |
ведется |
одно- SППРЧ (t) |
|
временно на нескольких |
|
Тпер |
частотах (рис. 7.29,в). |
|
|
|
|
Для сигналов с ППРЧ |
|
|
вводится |
понятие базы, |
|
|
характеризующей |
рас- |
|
|
ширение спектра B = ∆fпрч ∆F , где ∆fпрч – ширина используемого для передачи |
|
|
|
|
|
c |
|
диапазона частот; |
∆Fс – ширина спектра передаваемого сигнала. |
|
В системах связи могут применяться составные сигналы, использующие и |
ФМ ПСП и ППРЧ. В этом случае база сигнала будет определяться выражением |
B = M L , где M – база ФМ ПСП; L – база сигнала ППРЧ. |
|
7.5.4. Помехоустойчивость радиолиний с ППРЧ |
Рассмотрим, как изменяется вероятность ошибки при использовании различных видов ППРЧ. Если применяется последовательное ППРЧ в полосе час-
тот ∆fпрч с шириной спектра сигнала ∆Fс , то при оптимальном приеме против-
ник вынужден распределять энергию помехи равномерно во всей полосе ∆fпрч .
В этом случае спектральная плотность мощности помехи в полосе ∆Fс умень-
шается в |
B раз, причем база B = |
∆fпрч |
. Вероятность ошибки определяется так |
|
|
|
∆F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
же, как и для ФМ ПСС. Для ППРЧ с ЧМн сигналом |
кг |
1 |
|
|
h |
2 |
|
|
− B |
|
|
рППРЧ = |
2 |
exp |
2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Если применяется параллельное ППРЧ, передача ведется одновременно на N частотах. Решение в приемном устройстве принимается по мажоритарному принципу, т.е. по большинству принятых решений на различных частотах.
Принимая допущение, что ошибки приема на различных частотах не зависят друг от друга, результирующая вероятность ошибки определяется по формуле Бернулли:
|
N |
|
|
(1− рош )N −i , |
|
|
|
рППРЧ = |
∑CNi pошi |
(7.10) |
|
i=int (N |
2 |
) |
|
i = int(N 2)– ближайшее к N 2 це- |
|
|
|
|
pППРЧ |
|
|
|
где |
N = 2 |
|
|
|
лое число большее или равное N |
|
. |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N = 3 |
На рис. 7.30 показаны зависимости в |
|
N = 5 |
соответствии |
с (7.10) при различном |
|
|
|
|
|
|
|
N = 7 |
числе частот |
N . Анализ кривых пока- |
|
зывает, что наибольший выигрыш на- |
|
|
|
pош |
|
|
|
|
блюдается при нечетном числе частот, |
|
|
|
|
т.е. при N = 3,5,7,.... |
|
|
В заключении необходимо отметить, что при одном и том же значении |
базы выигрыш ППРЧ и ФМ ПСС одинаков, однако обработка сигналов с ППРЧ |
при ширине их спектра выше десятков МГц технически реализуется проще. |
Контрольные вопросы
1. Какие замирания оказывают наибольшее влияние на помехоустойчи-
вость приема сигналов?
2.Какие способы борьбы с замираниями сигналов применяются в цифровых системах?
3.Какие методы применяются для борьбы с медленными замираниями, а какие для борьбы с быстрыми?
4.Какие существуют способы разнесения сигналов?
5.Чем характеризуется величина межсимвольной интерференции?
6.Как определяют помехоустойчивость приема сигналов в каналах с межсимвольной интерференцией?
7.Определить помехоустойчивость оптимального некогерентного приема
ОФМн сигналов, если отношение сигнал/шум равно h2 = 2,57 и выработать
предложения на обеспечению требуемой помехоустойчивости если pош = 2 10−5 ,
при использовании сложных сигналов.
ГЛАВА 8. МНОГОКАНАЛЬНАЯ СВЯЗЬ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ
8.1. Методы распределения ресурса общего канала
На практике существует потребность передачи больших объемов информации многих пользователей при ограниченных возможностях, когда уже както сформировались телефонные и телеграфные сети, определены линии и каналы связи, распределен ресурс рабочих радиоволн между странами.
В связи с этим остро стоит задача организации наиболее эффективного доступа нескольких пользователей к единому ресурсу (частотно-временному и энергетически-пространственному).
8.1.1. Классификация систем передачи информации, использующих единый ресурс
Любой сигнал занимает определенную полосу частот, существует некоторое время, обладает ограниченной энергией и распространяется в определенной области пространства. В соответствии с этим выделяют четыре вида ресурса канала: частотный, временной, энергетический и пространственный.
Проблема эффективного использования ресурса общего канала особенно обострилась из-за необходимости организации оперативного обмена данными и обеспечения связи с объектами в информационных системах различного назначения в условиях неравномерности и непредсказуемости запросов потребителей во времени. При решении проблемы распределения ресурса общего канала применяются методы мультиплексирования и множественного доступа (multiple access). Понятия «мультиплексирование» и «множественного доступа» сходны тем, что они предполагают распределение ресурса между пользователями. В то же время между ними есть и существенные различия. Так при мультиплексировании ресурс канала связи распределяется через общее оконечное оборудование, формирующие групповой сигнал S∑ (t). При множественном дос-
тупе, S∑ (t) образуется в результате сложения сигналов пользователей непосред-
ственно в канале (рис. 8.1, где ИС – источник сообщения, ПРД - передатчик, ПРМ - приемник, ПС – получатель сообщения). Множественный доступ характерен для спутниковых каналов, радиоканалов, каналов мобильной связи [5, 6, 20, 39].
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y1 |
|
|
|
ИС |
1 |
|
ПРД |
1 |
S1 (t) |
|
U∑(t) |
ПРМ |
1 |
|
ПС |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
КАНАЛ |
|
|
|
|
|
|
ИС2 |
|
|
ПРД2 |
|
|
|
S∑(t) |
|
|
|
ПРМ2 |
2 |
|
ПС2 |
|
|
S ()t |
|
U∑(t) |
|
|
|
|
xM |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
yM |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SM (t ) |
|
U∑ (t) |
|
|
|
|
|
|
|
ИС |
М |
|
ПРД |
М |
|
ПРМ |
М |
|
ПС |
М |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.1. Система передачи с множественным доступом
Принято считать, что мультиплексирование основано на общем аппаратурном обеспечении, в то время как множественный доступ (МД) использует определенные процедуры (протоколы), реализуемые с помощью программного обеспечения, хранящегося в памяти каждого терминала.
На рис. 8.2 представлены методы мультиплексирования.
Рис. 8.2. Методы мультиплексирования В большинстве случаев для осуществления операции уплотнения канала
источнику сообщений выделяется специальный сигнал, называемый каналь-
ным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал Sгр(t) . Если операция объединения
линейна, то Sгр(t) = SΣ(t) будет линейным групповым сигналом. Он, как правило,
образуется линейным суммированием промодулированных канальных сигналов.
В системах так называемого комбинационного уплотнения групповой сигнал формируется посредством определенной логической (нелинейной) обработки, в результате которой каждый элемент сформированного сигнала отображает информацию (комбинацию символов) от всех ИС. Классическим примером такой системы является система двукратного частотного телеграфирования. Для передачи четырех комбинаций символов двух каналов используется четыре частоты: f1 →00, f2 → 01, f3 →10, f4 →11.
Устройство разделения линейного группового сигнала SΣ(t) представляет собой набор линейных избирательных цепей, каждая из которых выделяет только свой канальный сигнал и в идеальном случае совсем не реагирует на другие канальные сигналы. Для осуществления подобного идеального разделения необходимо и достаточно, чтобы промодулированные канальные сигналы составляли ансамбль линейно независимых сигналов. В качестве таких сигналов обычно используют ансамбли ортогональных сигналов.
В классе линейного уплотнения по виду отличительного признака канального сигнала различают временное разделение каналов (ВРК), частотное (ЧРК) и разделение каналов по форме сигналов, называемое кодовым разделением каналов (КРК). Вместо термина «разделение» применяют и термин «уплотнение». При ЧРК полоса частот общего канала ∆f разделяется на несколько более узких полос ∆fi , каждая из которых образует канал ИС. При ВРК вся по-
лоса ∆f предоставляется поочередно через определенные интервалы времени различным источникам для передачи сообщений. При КРК нет деления общего канала между ИС ни по частоте, ни по времени. Канальные сигналы различных ИС, перекрываясь по времени и частоте, остаются ортогональными за счет раз-
личия формы, что и обеспечивает их разделение.
Возможны варианты комбинирования указанных методов. Так, в мобильной связи в качестве метода МД широко используются комбинации ЧРК и ВРК, ВРК и КРК. В первой комбинации каждый частотный канал предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени. При второй комбинации в полосе частот ∆f формируют каналы с временным разделением,
которые предоставляются нескольким пользователям на принципах КРК.
При организации многоканальной передачи информации, применяемые для уплотнения канальные сигналы могут быть заранее определенным образом распределены между источниками сообщений. Такое уплотнение называется уплотнением с закрепленными каналами. Соответствующая ему многоканальная система передачи также будет называться системой с закрепленными каналами. Возможна и такая организация многоканальной передачи информации, когда канальные сигналы не распределяются заранее между источниками, а выделяются каждому источнику по мере необходимости. Такое уплотнение называется уплотнением с незакрепленными каналами. Очевидно, для правильного разделения каналов в системах с незакрепленными каналами необходимо ка- ким-либо образом передать на приемную сторону адресную информацию.
Основные понятия и определения, введенные для многоканальных систем, применимы и для систем МД. К настоящему времени изучено и предложено большое число разнообразных методов МД. Они различаются способом распределения коллективного ресурса канала (фиксированный или динамический), природой процессов принятия решения (централизованные или распределенные), а также степенью адаптации режима доступа к изменяющимся условиям.
Множественный доступ характерен для спутниковых каналов (в этом случае применяют термин «многостанционный доступ»), радиоканалов (пакетная радиосвязь), каналов мобильной связи, а также для многоточечных телефонных линий, локальных сетей.
Все существующие методы МД можно сгруппировать и выбрать в качестве основания классификации способ управления распределением ресурса об-
щего канала (рис.8.3).
Рис. 8.3. Методы множественного доступа Протоколы случайного доступа. При случайном МД весь ресурс канала
связи представляется как один канал, доступ в который происходит случайно, в результате чего возможно столкновение пакетов передаваемой информации. Корреспондентам предлагается совершить определенную последовательность действий с целью разрешения конфликта. Каждый пользователь при необходимости может передавать данные в канал, не выполняя явного согласования с другими пользователями. Наличие обратной связи позволяет взаимодействующим корреспондентам контролировать прохождение передаваемой информации.
Возможны два варианта реализации стратегии случайного доступа: без контроля несущей и с контролем несущей.
Случайный доступ без контроля несущей состоит в том, что при необходимости передать данные, терминал пользователя сразу начинает передачу пакетов. Поскольку пакеты передаются без синхронизации между собой, возможно их наложение, что вызывает взаимные помехи. При возникновении такого конфликта, подтвержденного сигналом обратной связи, терминалы повторяют передачу искаженных пакетов. Во избежании повторения конфликтов промежутки времени до начала повторной передачи на каждом терминале выбираются случайно.
Случайный доступ с контролем несущей предполагает возможность кон-
