4.2. Характеристика методов борьбы с помехами

Для борьбы с помехами необходимо принимать специальные меры, направленные на снижение потерь информации при ее пе­редаче по каналам радиосвязи. При борьбе с помехами предпо­лагается, с одной стороны, такой выбор характеристик передаю­щих и приемных устройств, которые позволили бы повысить от­ношение сигнал/помеха на входе решающей схемы приемника. При этом очень важным является выбор оптимальной структуры сигналов и оптимальный их прием.

С другой стороны, при борьбе с помехами необходимо прово­дить организационно-технические мероприятия, которые позволи­ли бы исключить или снизить влияние помех на прием сигналов.

Ниже рассмотрим лишь методы борьбы с помехами, связан­ные с выбором характеристик передающих и приемных устройств, а также с выбором структуры сигналов.

К основным методам борьбы с помехами можно отнести сле­дующие:

— снижение уровня помех в полосе пропускания приемника;

— увеличение энергии сигнала;

— оптимальная обработка сигналов в приемнике;

— выбор оптимальной структуры сигнала;

— применение сложных сигналов;

— кодирование сигналов с целью повышения их помехоустой­чивости;

— повторение передачи сигналов.

Снижение уровня помех в полосе пропускания приемника дос­тигается рациональным выбором рабочего диапазона частот, в котором помехи минимальны. При работе в диапазоне УКВ, где относительно легко реализуются антенны с узкой диаграммой на­правленности, кроме отмеченной меры возможно также снижение уровня помех за счет ориентации антенн строго на корреспон­дентов.

Увеличения энергии сигналов можно достичь путем увеличения длительности сигнала или путем повышения средней мощности излучаемого сигнала. Увеличить длительность сигнала можно за счет снижения скорости манипуляции при передаче дискретных сигналов. Повышение же средней мощности излучаемого сигнала зависит от ряда показателей передающего устройства.

Известно [10], что мощность излучения передатчика определя­ется выражением

P_изл=P_прдG_прд_прд, (4.5)

где P_прд— мощность передатчика;

G_прд— коэффициент усиления передающей антенны;

_прд — коэффициент полезного действия фидерного тракта.

Из (4.5) следует, что для повышения Р_изл необходимо преж­де всего повышать P_прд и G_прд. На низких частотах, где трудно создать узконаправленные антенны, необходимо повышать P_прд. На высоких частотах целесообразно повышать P_прд путем соз­дания узконаправленных антенн с большим коэффициентом уси­ления. В диапазоне УКВ величина G_прд может составлять 70 дБ и более.

Оптимальная обработка сигнала в приемнике может осуществ­ляться двумя способами:

— компенсацией помех;

— оптимальной фильтрацией сигнала.

При реализации способа компенсации помех нужно выделить из смеси сигнала и помехи только помеху, а затем вычесть ее из этой смеси спустя некоторое время. Эффективность этого спосо­ба высока в случае действия в канале регулярных помех, пара­метры которых можно определить при отсутствии сигнала. Если же помехи носят случайный характер, то выделение помехи из смеси ее с сигналом тем труднее, чем меньше они отличаются по своей структуре. В случае существенного различия в структуре сигнала и помехи, выделение последней или создание ее копии упрощается. Сказанное прежде всего относится к импульсным или сосредоточенным помехам. Методы борьбы с сосредоточен­ными и импульсными помехами рассматриваются в блоках 4.3.1 и 4.3.2

Оптимальная фильтрация дискретных сигналов осуществляет­ся либо согласованным фильтром, либо коррелятором. Опти­мальный приемник дискретных сигналов осуществляет две операции: фильтрацию и принятие решения о переданном сигнале.

При приеме дискретных сигналов принимается решение о наличии одного сигнала из заданного множества по величине и форме отклика фильтра или коррелятора. Существенным при этом является знание структуры помехи и на этой основе правильный выбор формы сигнала.

Согласованный фильтр (СФ) для входного сигнала x(t) дол­жен представлять собой четырехполюсник, у которого отклик x*(t) совпадает с комплексно-сопряженным спектром входного сигнала (рис. 4.2). Именно это обстоятельство и позволяет по­лучить максимальный отклик на выходе согласованного фильтра только лишь в случае прихода на его вход сигнала x(t). Помеха же, даже близкая по структуре к сигналу, дает отклик СФ мень­ше.

рис. 4.2.

Регистрация дискретных сигналов осуществляется сравнением уровня отклика на выходе согласованного фильтра с некоторым порогом, определяемым уровнем помех.

В тех случаях, когда СФ практически трудно реализовать, применяют фильтры, согласованные с сигналом только по полосе. Такие фильтры называют квазиоптимальными. Оптимальная по­лоса для различной формы импульсов вычисляется довольно просто. В [2] показано, что отношение сигнал/помеха на выходе квазиоптимального фильтра по сравнению с согласованным филь­тром меньше примерно на 15-20%.

При корреляционном приеме (рис. 4.3) необходимо прини­маемую смесь сигнала и помехи перемножить с опорным напря­жением, представляющим собой копию переданного сигнала. Затем в некоторый момент времени следует измерить значение функции взаимной корреляции принятого колебания и опорного сигнала.

В зависимости от выбранного метода регистрации выходного сигнала корреляционный прием может быть когерентным и не­когерентным. Когерентный прием требует жесткой синхронизации, и в частности, точного знания момента снятия отсчета выходного сигнала.

Если у передаваемого колебания частота и фаза известны, то в когерентном приемнике используется синхронный детектор, в котором опорное колебание синхронно и синфазно перемножает­ся с колебанием несущей частоты сигнала. На выходе перемно­жителя устанавливается интегратор, который чаще всего пред­ставляет собой фильтр нижних частот. Фильтр выделяет колеба­ние, практически совпадающее с огибающей передаваемого вы­сокочастотного сигнала.

В случае некогерентного приема фаза принимаемого сигнала неизвестна. В связи с этим синхронный детектор можно заме­нить линейным детектором огибающей (ЛДО). С выхода ЛДО сигнал поступает на интегратор, а затем на решающее устрой­ство РУ (рис. 4.4).

Отношение сигнал/помеха на выходе корреляционного прием­ника при когерентной обработке в два раза больше, чем при не­когерентной [2].

Оптимальная фильтрация непрерывных сигналов состоит в воспроизведении с максимальной точностью формы переданного сигнала. В ряде случаев, в отличие от оптимальной фильтрации дискретных сигналов, оптимальная фильтрация непрерывных

сиг­налов, и прежде всего телефонных, не требует операции приня­тия решения о передаваемом сигнале, а роль решающей схемы выполняет сам получатель информации.

В общем же случае решение задачи оптимальной фильтрации непрерывных сигналов основывается на теории Колмогорова-Ви­нера [2, 3]. Эта теория базируется на предположениях, что сиг­нал и помеха есть стационарные случайные процессы, операция фильтрации есть линейная операция, а критерием оптимальнос­ти является минимум среднеквадратической ошибки.

Задача оптимальной фильтрации сводится к тому, чтобы най­ти оптимальный линейный фильтр с точки зрения его передаточ­ной функции по отношению к сигналу. Такой фильтр должен как можно эффективней отделить сигнал от помехи.

На рис. 4.5 пунктиром показана частотная характеристика оптимального фильтра К(ω) в случае неперекрывающихся спект­ров сигнала G_c() и помехи G_n() и в случае, когда спектры сигнала и помехи перекрываются. Фильтр с оптимальной частотной характеристикой должен пропускать колебания различных частот обратно пропорционально отношению . Фильт­рация сигнала возможна лишь до некоторых минимальных отно­шений сигнал/помеха.

Эффект фильтрации можно улучшить, если применить предыс­кажение передаваемого сигнала с помощью передающего фильтра. На приемной стороне характеристику фильтра выбирают та­кой, чтобы она с учетом характеристики передающего фильтра позволяла получить наименьшую среднеквадратическую ошибку

Выбор структуры сигнала существенно влияет на помехоустой­чивость приема. Рассмотренная выше оптимальная фильтрация показывает, насколько важно правильно выбрать структуру сиг­нала при заданном виде помех в канале связи. Оптимальную структуру будут иметь те сигналы, у которых спектральные сос­тавляющие колебаний имеют максимальное значение на тех час­тотах, где помеха минимальна. Не менее важное значение при вы­боре оптимальной структуры сигналов имеют их взаимокорреляционные свойства.

Для повышения верности передаваемых сообщений может при­меняться помехоустойчивое кодирование сигналов. Оно предпола­гает использование таких кодов, которые корректируют ошибки, вызванные наложением помех на сигнал. Применение помехоус­тойчивых кодов ведет к усложнению приемо-передающих уст­ройств из-за необходимости иметь кодирующую и декодирующею аппаратуру.

Многократная передача одного и того же сигнала также поз­воляет повысить верность приема сообщений. Этот метод борьбы с 'помехами реализуется несколькими способами.

Сигнал может передаваться по параллельным каналам, что практически исключает вероятность поражения одного и того же элемента сигнала помехой, так как помехи в этих каналах некоррелированны.

Для повышения верности передачи один и тот же сигнал мо­жет многократно повторяться. В силу случайности действия по­мех при правильно выбранных интервалах передачи вероятность одинакового искажения сигнала крайне мала.

И, наконец, для борьбы с помехами могут применяться систе­мы с обратной связью. Если в результате анализа принятого сигнала есть сомнение относительно того, какой сигнал переда­вался, принимается решение о повторной передаче сигнала.