Управление РЧС Bihovskiy

Из этих кривых, например, видно, что для небольших значений R0 значительное увеличение степени подавления радиопомех компенсаторами нецелесообразно, так как это не приводит к заметному уменьшению необходимости территориального разноса. Это объясняется тем, что при небольших значениях R0 трасса распространения радиопомехи лежит в области дифракционного механизма распространения радиоволн, в которой потери при распространении весьма быстро сокращаются с уменьшением длины этой трассы.

Рис. 5.12. Зависимости коэффициента Кт от при различных R0

Влияние степени подавления помех на необходимый угловой разнос оценивается путем вычисления коэффициента К0 = θ /θ0, где θ и θ0 — угловой разнос, необходимый для обеспечения ЭМС взаимодействующих систем без применения и с применением КП.

Коэффициент усиления антенны в общем виде определяется выражением G(θ) = β – 25lgθ.

позволяет уменьшить угловой разнос в два раза, а при = 25 дБ — до десяти раз. Выражение для К0 можно также использовать для оценки выигрыша в пропускной спо-

собности геостационарной орбиты, который может дать применение КП. В этом случае принимается модель, представляющая равномерно распределенные по орбите однородные спутники, угловой разнос между которыми равен θ при использовании КП и θ0 — при их отсутствии. Увеличение числа спутников, причиняющих помехи, естественно, усложняет практическую реализацию КП. Поэтому значение К0 характеризует только теоретическую оценку максимального выигрыша, который может дать применение КП. Однако очевидно, что даже относительно невысокая степень подавления помех, например = 8 дБ, приводит к существенному увеличению (в два раза) пропускной способности орбиты.

Таким образом, компенсаторы помех могут служить весьма эффективным средством обеспечения ЭМС в радиорелейных линиях и спутниковых системах.

5.3.Обеспечение ЭМС РЭС при помощи устройств подавления импульсных помех

5.3.1. Простые методы подавления импульсных помех

Для подавления ИП был предложен ряд различных устройств [1]. Один из самых простых методов защиты от ИП является запирание (бланкирование) тракта приема полезного сообщения во время ее действия. При этом значения сообщения в течение времени действия ИП замещаются нулевыми, что приводит к заметным искажениям. Эти искажения несколько снижаются за счет последующей фильтрации бланкированного сигнала узкополосным фильтром, через который он проходит на выход приемного устройства. Однако этот метод не позволяет восстановить искаженное ИП сообщение с высокой точностью, и поэтому в системах многоканальной связи его применение нецелесообразно.

Значительный вклад в разработку методов подавления ИП внесли отечественные ученые, среди которых следует назвать в первую очередь академика А.Н. Щукина и профессора Д.В. Агеева.

А.Н. Щукиным был предложен простой в реализации метод подавления ИП, который получил название «широкая полоса–ограничитель–узкая полоса». Суть этого метода состоит в том, что на входе приемника устанавливается широкополосный фильтр, проходя через который ИП, существенно превосходящая уровень ПС, практически не уменьшается по амплитуде. Ограничитель, стоящий после широкополосного фильтра, «срезает» импульсные помехи высокого уровня, а установленный после ограничителя узкополосный фильтр, имеющий минимальную полосу пропускания, согласованную с полосой ПС, дает дополнительное уменьшение обусловленных ИП искажений ПС. Следует отметить, что данный метод эффективен лишь в случаях, когда ПС занимает узкую полосу частот. Однако искажения ПС, возникающие во время действия ИП, остаются значительными, и поэтому данный метод неэффективен для подавления ИП в многоканальных широкополосных системах связи.

Другой, также достаточно простой метод подавления ИП, был предложен профессором Д.В. Агеевым. В соответствии с данным методом блок подавления ИП устанавливается на выходе демодулятора ПС, на который поступают низкочастотное полезное сообщение и появляющаяся время от времени кратковременная ИП, имеющая широкий спектр и достаточно высокий уровень. В блоке подавления ИП устанавливается предыскажающий линейный фильтр, который в полосе частот, занимаемый полезным сообщением, имеет незначительный коэффициент передачи, а за ее пределами этот коэффициент заметно выше. Таким фильтром может быть, в частности, дифференцирующая цепь. Предыскажающий фильтр практически не ослабляет широкополосную ИП. На его выходе устанавливается ограничитель, имеющий линейный участок в области низких уровней поступающего на его вход сообщения. При отсутствии ИП на вход ограничителя поступает полезное сообщение низкого уровня. Оно без искажений проходит через ограничитель и поступает на линейный корректирующий фильтр, частотная характеристика которого обратна частотной характеристике предыскажающего фильтра. Это фильтр нижних частот, который имеет значительный коэффициент передачи в полосе частот, занимаемой полезным сообщением, и малый коэффициент передачи за ее пределами (таким фильтром, в частности, может служить интегрирующая цепь). Таким образом, при отсутствии ИП полезное сообщение в блоке подавления ИП не претерпевает искажений. Если же появляется ИП, то она проходит на вход ограничителя практически без искажений и, имея высокий уровень, в нем ограничивается. Это заметно снижает искажения сообщения в моменты появления ИП. Дополнительное уменьшение этих искажений вносит корректирующий фильтр, в котором подавляются высокочастотные

составляющие возникших искажений. Анализ помехоустойчивости подобного метода выполнен в [21]. Как и метод Щукина, для многоканальных широкополосных систем связи данный метод подавления ИП неэффективен, так как не позволяет с достаточно высокой точностью восстанавливать участки полезного сообщения, претерпевшие искажения во время действия ИП.

Значительно более эффективными оказываются методы подавления ИП, в которых восстановление искаженных ИП временны΄х участков полезного сообщения осуществляется за счет экстраполяции или интерполяции его значений на этих участках. В этих устройствах имеются блоки обнаружения ИП (БОИП), с помощью которых определяются временны΄е участки полезного сообщения, пораженного ИП. Такие устройства позволяют восстановить полезные сообщения с гораздо большей точностью, нежели другие известные методы [1].

5.3.2.Подавление ИП методом экстраполяции искаженных значений полезного сообщения

Блок-схема устройства защиты от ИП, в котором для восстановления пораженных участков полезного сигнала используется экстраполяция, показана на рис. 5.13. В этом устройстве БОИП подключен к выходу усилителя промежуточной частоты УПЧ. На выходе демодулятора Дем, которым может быть, в частности, частотный дискриминатор, если сообщения передаются с помощью ЧМ, устанавливается устройство подавления ИП (УПИП). Оно представляет собой усилитель с цепью обратной связи, содержащей в общем случае N последовательно включенных интеграторов, которые могут быть реализованы на операционных усилителях. Выходы интеграторов через аттенюаторы объединены в сумматоре. При отсутствии ИП сигнал с выхода усилителя через ключ Кл поступает на вход первого интегратора. Обнаружение ИП приводит к срабатыванию БОИП, и с помощью ключа на вход первого интегратора подается напряжение, равное нулю. В данном устройстве экстраполяция пораженных ИП участков сигнала осуществляется рядом Тейлора.

Рис. 5.13. Блок-схема устройства защиты от ИП

Анализ работы устройства рис. 5.13 с двумя интеграторами [22] показал, что если коэффициент усиления усилителя в цепи обратной связи усилителя равен К0, то минимальные линейные искажения сигнала в данном устройстве имеют место в случае, если аттенюатор

имеет коэффициент передачи, равный 1 K0 . При этом полоса пропускания рассматривае-

ент передачи интегратора равен 1. Кроме того, в [22] показано, что в том случае, когда на входе данного устройства отношение сигнал/тепловой шум значительно, на его выходе обеспечивается отношение сигнал/шум в телефонном канале, дБ,

В (5.4) функция F(f0τ0) определяется следующим образом:

F ( f0τ0 )= (1+3/ ωп ).

Здесь ωв = 2πfвτ0 ; fв – верхняя частота спектра полезного сигнала, действующего на выходе демодулятора на рис. 5.13; τ0 и μ = τ0 /Т0 – длительность и скважность ИП; ωп = 2πf0 τ0 K0 .

лирования с аналитическими. Сравнение исследованного устройства подавления ИП с другими известными более простыми устройствами, в которых применяется метод бланкирования или ограничение сигнала, показывает, что оно дает существенно более высокую точность восстановления пораженных ИП участков полезного сообщения.

5.3.3.Подавление ИП методом интерполяции искаженных значений полезного сообщения

На рис. 5.15 показана блок-схема устройства, в котором для восстановления пораженных ИП участков ПС используется интерполяция [23]. На этом рисунке: Инт — интерполятор, ЭК — электронный ключ, ЛЗ — линия задержки, ДЦ — цепь дифференцирования, АТ — аттенюатор. Интерполированный сигнал вместе с сигналом, действующем на среднем отводе ЛЗ, поступают на входы ЭК, управляемого с помощью БОИП; при обнаружении ИП на выход ЭК поступает сигнал с выхода Инт.

Рис. 5.15. Блок-схема устройства восстановления ПС методом интерполяции

В результате исследования данного устройства [23] установлены оптимальные значения коэффициентов передачи аттенюаторов:

В [24] показано, что при применении интерполятора (k − 1)-го порядка отношение сигнал/помеха на выходе устройства рис. 5.16 отличается от такого же отношения на его выходе при использовании интерполятора нулевого порядка на ηk (ρ0 ) дБ, где

мощности сигнала к мощности теплового шума, дБ, действующего на выходе Дем в полосе fв, F0 — полоса пропускания фильтра Ф0, связанная с длительностью ИП (τ0) соотношением

F0 = 1/τ0. Кроме того, в (5.6) Р0 = 6,28; Р1 = 26,9; Р2 = 205.

На рис. 5.16 представлены зависимости ηk (ρ0 ) , построенные для k = 1 и 2 и двух слу-

чаев F0 /fв = 4 (штрихпунктирные кривые) и F0 /fв = 10 (штриховые кривые). Из приведенных кривых видно, что при больших значениях ρ0 применение интерполятора 2-го порядка дает

проигрыш по сравнению с интерполятором 1-го порядка. Это связано с тем, что в интерполя-

щите от ИП цветовой поднесущей в телевизионной системе SЕCАМ либо ЧМ сигнала в приемном устройствеподвижнойсвязитакое условие не выполняется.

5.3.4.Подавление ИП при приеме сообщений с существенно неравномерным спектром

Существенную неравномерность имеет, например, спектр телевизионного сигнала, который содержит как видеосигнал яркости, так и передаваемые на поднесущих сигналы цветности и звукового сопровождения. На рис. 5.17 представлена блок-схема устройства [24], позволяющего защитить от ИП прием таких сообщений. Между Дем и приемником Пр включены два усилителя, первый из которых, имеющий малое выходное сопротивление, нагружен на реактивный двухполюсник с последовательно соединенными элементами — конденсатором С0, на котором выделяется низкочастотная составляющая ПС (видеосигнала), и параллельными контурами Кi, настроенными на частоты максимумов спектра этого сигнала (частоты поднесущих сигналов цветности и звука).

Рис. 5.17. Блок-схема устройства защиты сообщений от ИП

Воздействующая на вход приемника ИП обнаруживается БОИП, в котором формируется управляющий импульс, разрывающий с помощью ключа Кл цепь, связывающую двухполюсник с выходом первого усилителя. При этом ИП не воздействует на двухполюсник, и на его элементах в течение времени, равного длительности ИП, сохраняются значения колебаний сигнала, относящихся к разным (выделенным на этих элементах) участкам сигнала. Таким образом искаженный участок ПС замещается в данном устройстве путем экстраполяции.

Оптимизация параметров данного устройства может быть выполнена на основе развитой в [24] теории. Исследование эффективности его применения показали, что для случая, когда на его входах действует сумма двух сигналов, спектр которых сконцентрирован на частотах ω1 и ω2 = 2ω1, данное устройство позволяет получить на 19,5 и 13 дБ бóльшие значения отношения сигнал/шум по сравнению с отношениями сигнал/шум устройств подавления ИП, использующих соответственно методы экстраполяции 2-го порядка и бланкирования.

странственно разнесенные антенны. В один тракт передачи с помощью линии задержки 1 вводится временная задержка, превышающая максимально возможную длительность ИП. На приеме аналогичная задержка вводится во второй тракт с помощью линии задержки 2. Это дает возможность в случае отсутствия ИП восстанавливать передаваемое сообщение на основе когерентного сложения всех принимаемых сигналов. При воздействии ИП блок ее обнаружения с помощью электронных ключей 1 и 2 отключает на время действия помехи тот тракт приема, в котором сообщение поражено помехой. На приеме передаваемое сообщение восстанавливается на основе когерентного сложения сигналов только в том тракте приема, в котором ИП в данное время отсутствует.

Были выполнены теоретические и экспериментальные исследования эффективности предложенного метода [25], в результате которых было определено качество передачи сигналов по телефонным каналам в ТРРЛ по двум параметрам: средней мощности теплового шума в минуту Pт p% для 20% времени и проценту времени Тш, для которого невзвешенная мощность шума в звуковом канале не превышает значение Рш = 106 пВт. Оценка была проведена при следующих предположениях: во-первых, не принималась во внимание помеха, вызванная электронной коммутацией группы каналов во время импульсной помехи, во-вторых, импульсная помеха всегда выявляется схемой обнаружения. В случае, когда уровень помехи значительно превышает уровень ПС (т.е. в самом важном случае), опознавание помехи схемой обнаружения не вызывает никаких проблем, и второе предположение может считаться соответствующим действительности. Хотя помеху, естественно, трудно обнаружить при малых уровнях, ее влияние на помехозащищенность приема является в данном случае несущественным.

Данный метод эффективен по той причине, что в период действия импульсной помехи когерентное сложение имеет место только для половины (n/2) от общего числа частотноразнесенных сигналов. Следовательно, для средней мощности теплового шума в минуту на выходе системы связи, превышаемой не более чем в р% времени, можно записать:

где Pт p%(n) и Pт p%(n/2) — средняя мощность теплового шума в минуту на выходе частотного детектора в системе с когерентным сложением сигнала, с n и n/2 ветвями разнесенного приема, превышаемая в р% времени; τd — интервал времени запирания группы каналов во время действия импульсной помехи длительностью τ (τ ≥ Т); Т — период следования импульсов.

Невзвешенная мощность шума P∑ на выходе демодулятора в системе с когерентным сложением сигнала для данных значений ρ1 и ρ2 — отношений сигнал/шум на выходах двух пространственно-разнесенных каналов приема — может быть выражена следующим образом:

где ρ3 = ρ1 + ρ2. Значения ρi являются случайными. Их флуктуации вызываются как быстрыми, так и медленными замираниями сигнала помехи. Значения Pтi(ρi) представляют мощность шума на выходе следящего демодулятора при отношении сигнал/шум на его входе, равном ρi. Пользуясь уравнением (5.8), можно оценить значение Tш(τd /T) — процента времени, в течение которого невзвешенная мощность шума в звуковом канале PΣ превышает значение Рш0 = 106 пВт.

Когда Рт р% и Тш определены, эффективность метода можно оценить посредством коэффициентов:

Первый коэффициент указывает, на сколько децибел увеличивается среднеминутная мощность теплового шума на выходе системы во время действия ИП. Второй коэффициент характеризует увеличение на выходе системы процента времени, для которого невзвешенная мощность шума превышает 106 пВт во время действия на входе ИП с данным коэффициентом заполнения τd/Т.

Уравнения (5.7)–(5.10) были использованы для расчета зависимостей Рт(τd /T) и Tш (τd /T ) при N = 4 и 8 для 120-канальной ТРРЛ длиной 2400 км, содержащей семь проле-

тов. Мощность передатчика — 5 кВт, а усиление приемной и передающей антенн составляло 47,1 дБ. Значения Pт р% и Pтi(ρi) в уравнениях (5.7) и (5.9) рассчитывались по методу, предложенному С.В. Бородичем [26]. Результаты вычислений приведены на рис. 5.19. Из них следует, что для значений (τd /Т) ≤ 10–2 (случай, часто встречающийся на практике) этот метод подавления ИП полностью устраняет действие помехи на работу ТРРЛ. Даже при высоких значениях τd /Т = 10–1 ухудшение параметров канала вследствие действия помехи незначительно ( Р = 0,2 дБ при n = 8; Тш = 2). Так как обычно только одна или две станции, составляющие часть линии, подвергаются действию ИП одновременно, действие помехи на параметры качества всей линии, состоящие из ряда станций, будет несущественным. На рис. 5.19 также показано значительное увеличение помехозащищенности на приемной стороне при увеличении кратности разнесенного приема n.

Рис. 5.19. Зависимости Рт (сплошные линии) и Тш (штриховые линии) от τd /T

Оборудование для реализации этого метода подавления ИП было испытано на 120-ка- нальной ТРРЛ. В качестве источника помехи использовался импульсный генератор τ = 1 мс, подсоединенный к направленной антенне. Значение τd было взято равным 1,5 мс. Уровень ИП на выходе приемника превышал медианный уровень полезного сигнала на 15 дБ. Коэффициент разнесенного приема составлял 6.

Кривые на рис. 5.20, построенные по данным измерений, характеризуют распределения вероятности значений ρ(Тм) = 101оg[109/Рш(Тм)], где ρ(Тм) — отношение сигнал/шум в одном верхнем телефонном канале, а Рш(Тм) — мощность шума в канале, наблюдаемого в Тм процентах времени.

Кривая А получена для случая отсутствия ИП; кривая В — для случая подавления ИП, а кривая С — для случая, когда подавление ИП отсутствует. Сравнение кривых А и С показывает, что без применения оборудования для подавления помехи происходит существенное возрастание мощности шума в телефонном канале (около 25 дБ в 20% времени). Сравнение кривых В и С показывает, что этот метод подавления шума значительно уменьшает мощность шума (на 15 дБ в 20% времени). На основании сравнения кривых А и В можно сделать заключение, что помехозащищенность на приемной стороне в случае подавления ИП близка к имеющейся при отсутствии помехи. Некоторое возрастание (примерно на 5 дБ) мощности шума в телефонном канале по сравнению с расчетными результатами может быть связано с наличием шума коммутации.

Рис. 5.20. Зависимости отношения сигнал/шум ρ от Тм

Таким образом, данный метод подавления ИП позволил решить важную и остро стоявшую в 90-х годах проблему защиты ИП ТРРЛ сети «Север». Этот метод позволяет обеспечить совместное использование общих полос частот любых систем, в которых применяется частотное разнесение сигналов, с РЭС, излучающих импульсные сигналы.

В данной главе были рассмотрены возможности обеспечения ЭМС РЭС с помощью одноканальных и двухканальных КП для систем связи с ЧМ, а также различных устройств подавления ИП. Приведены соотношения, позволяющие оценить их эффективность подавления радиопомех с их помощью.

Основные выводы, вытекающие из приведенного анализа, состоят в следующем:

–Одноканальный итерационный КП, имеющий 2–3 ступени итерации, позволяет реализовать потенциальные возможности разделения двух ЧМ сигналов различных уровней, занимающих одну и ту же полосу частот.

–Двухканальные КП для систем связи с ЧМ являются эффективным средством подавления радиопомех, возникающих на промежуточных станциях РРЛ связи, а также на