§ 13.4. Квазикогерентный приемник ким-сигналов

При кодоимпульсной модуляции передаваемый сигнал дискретизиру-ется во времени, квантуется по амплитуде и каждое квантованное его значение Х₁₍- (рис. 13.11, а) передается

кодовой группой двоичных символов Х_и =(a_ix, a_i2, oik)- Здесь К. — число двоичных символов, которое определяет число уровней квантования L = 2^К.

На рис. 13.11, а показаны два сообщения A,j и Х₂, которые дискрети-зируются во времени с периодом отсчетов Т и квантуются по амплитуде на восемь уровней, каждый из которых может быть представлен тремя двоичными символами (А^ = 3). На рис. 13.11, б показаны кодовые группы символов для первых отсчетов Яц = 4 и Х₂₁ *= 2. Эти символы 100 и 010 представлены на рисунке в виде импульсов U_M положительной и отрицательной полярностей.

Группа символов, передающая значение одного отсчета, называется словом, а группа слов, передающих значения отсчетов для всех сообщений в течение интервала времени длительностью Т, — кадром.

Для различения кадров в конце каждого из них передается маркерный сигнал в виде группы символов, существенно отличающихся от всех возможных передаваемых комбинаций. Обычно это «слово» большей длины т_м > т, чем «слово» каждого отсчета (см. рис. 13.11, а).

При двоичной КИМ по радиоканалу передаются последовательно во времени сигналы «„ (г) , и_х (t), соответствующие двоичным цифрам ац = 0, a_ih = 1. Эти сигналы образуются с помощью двоичной амплитудной, частотной или фазовой манипуляции. На рис. 13.11, в показаны КИМ-ЧМ-сигналы, соответствующие передаваемым словам 100 и 010.

Структурные схемы радиоприемников КИМ-сигналов строят как квазиоптимальные, в которых для демодуляции используются опорные сигналы, создаваемые в самом приемнике.

Типовая структурная схема многоканального квазиоптимального приемника КИМ-сигналов приведена на рис. 13.12. Она состоит из линейного тракта (ЛТП), демодулятора (Д), регенератора двоичных сигналов (Р) и

селектора каналов (СК), на выхода) которого устанавливаются преобра зователи код — напряжение (ПКН) если выходные сигналы преобразу ются в аналоговую форму. Устройст ва оценки частоты и фазы несущего, колебания (УОЧФ) представляют собой системы частотной и фазовой синхронизации. Устройство оценки временных интервалов — генератор сигналов временной синхронизации ГСВС предназначено для выделения сигналов синхронизации символов, слов и кадров.

При построении линейного тракта многоканального приемника КИМ-сигналов необходимо учитывать перекрестные искажения, вызванные попаданием сигнала одного канала в другой. Перечислим причины возникновения этих искажений:

несовершенство ключей селектора каналов, проявляющееся в просачивании сигнала через закрытый ключ;

недостаточное быстродействие ключей, т. е. конечная скорость их включения и выключения;

конечная полоса пропускания каскадов приемника;

изменение группового времени запаздывания, вносимое цепью, через которую проходит сигнал.

Среди этих причин наибольшее влияние на искажения оказывает ограничение полосы пропускания каскадов, из-за которого происходит замедление нарастания и спадания каждого импульса, так что «хвост» переходного процесса попадает в соседний канал. Поэтому полосы пропускания линейного тракта многоканального импульсного приемника выбирают в соответствии с характером сигнала и заданным уровнем перекрестных искажений (обычно требуемое ослабление сигналов в соседних каналах ~ 60 дБ). Так, в приемнике КИМ-АМ-сигналов полосу пропускания ЛЧП приемника выбирают из условия Плчп > 1/т, где т — длительность элементарного импульсного сигнала. При этом длительность защитного интервала т₃ > т выбирают соответственно заданному уровню перекрестных искажений.

При использовании двоичного кода принимаемый КИМ-сигнал представляет собой последовательность, состоящую из некоторой комбинации двух известных сигналов м, (t) и и„ (/), аддитивно смешанных с белым нормальным шумом. Как было показано в § 11.2, оптимальным демодулятором для таких сигналов является двухканальный коррелятор, работающий «посимвольно», поочередно обрабатывая один сигнал за другим. На

каждом такте передачи он производит двоичное различение сигналов, т. е. принимает решение о том, какой из двух символов был передан в данный момент. Схема такого демодулятора приведена на рис. 13.13. Он состоит из перемножителей, интеграторов, ключевых схем и порогового устройства (ПУ). С помощью ключевой схемы управляемой ГСВС производится считывание выходного сигнала в момент его окончания. Выходной сигнал представляет собой видеоимпульс треугольной формы, смешанный с шумом.

Опорный сигнал для демодулятора создается из принимаемого сигнала с помощью системы ФАПЧ, которая работает только тогда, когда несущая частота сигнала лежит в полосе захвата ФАПЧ. Для обеспечения этого условия при неизвестной несущей частоте принимаемого сигнала в приемнике применяют систему частотной автоподстройки (ЧАПЧ), которая производит поиск и захват частоты несущей. Если используется фазовая манипуляция с подавленной несущей, то последняя восстанавливается с помощью специальных демодуляторов типа демодуляторов Сифорова, Каршина, Костаса и др. Отметим, что демодулятор в приемниках КИМ-сигналов с поэлементным приемом строят по таким же схемам, как в приемниках двоично-манипули-рованных сигналов.

Для обеспечения равенства скоростей передачи и обработки принимаемых сигналов в приемнике КИМ-сигналов осуществляется временная синхронизация символов, слов и кадров.

Сигналы временной синхронизации не только участвуют в процессе демодуляции, но и управляют селектором каналов, производящим разделение ■ передаваемых сообщений. Основной принцип построения схем тактовой и кадровой синхронизации— выделение частоты рабочих или маркерных сигналов с помощью системы ФАПЧ, работающей в качестве узкополосного фильтра (см. § 10.4).

Пример схемы посимвольной синхронизации при приеме КИМ-ЧМ-сиг-налов приведен на рис. 13.14. Выходной сигнал демодулятора ы₂ преобразуется в дифференцирующей цепи (ДЦ) и запускает кипл-реле (КР). Последовательность импульсов кипп-реле и₃ подается на систему ФАПЧ, образующую гармонический сигнал «₄ с частотой, равной частоте следования рабочих импульсов. Сигнал и_х преобразуется в формирующем каскаде (ФК) в последовательность кратковременных импульсов ы_ВЬ1Х.

При передаче КИМ-сигналов в качестве маркерного обычно используется шумоподобный дискретно-кодированный сигнал. Если длительность такого сигнала равна длительности кодового слова, а его положение относительно начала кадра известно, то достижение синхронизации по кадрам сводится к выделению маркерного сигнала с помощью специального приемника — согласованного фильтра или коррелятора. Среди передаваемых сигналов выбранный для синхронизации сигнал будет единственным регулярно повторяющимся. Частоту его повторения выделяют системой ФАПЧ, аналогично тому, как это делается в системе тактовой синхронизации. Недостатком этого способа синхронизации является то, что маркерный сигнал не несет полезной информации и занимает один канал. Демодулятор обычно работает при большом отношении сигнал/шум на входе (> 20 дБ), что необходимо для получения малой вероятности ошибки. На выходе демодулятора часто применяют регенератор (Р), предназначае-

мый для увеличения отношения сигнал/шум. Регенератор состоит из порогового устройства, управляемого сигналами тактовой синхронизации, и формирующего каскада. Последний вырабатывает стандартный видеоимпульс, если входной сигнал превышает пороговый уровень.

Увеличение выходного отношения сигнал/шум в регенераторе происходит за счет нелинейного преобразования входного сигнала регенератора, превышающего шум. Допустим, что амплитуда выходного сигнала в момент отсчета принимает значение

Здесь (У_с. — номинальное значение выходного сигнала.

Положим, что пороговый уровень U„ = сУ_с/2. Тогда, если и (t) > > Uи, принимается решение о наличии полезного сигнала, если и (t) < <С U„ — об отсутствии его.

Частоту появления ошибочного решения определяют вероятностью ошибки Р,_)Ш. Если появление и отсутствие сигнала в среднем происходит с вероятностью 50 %, то

Здесь первое слагаемое равно вероятности того, что и (t) превышает пороговый уровень в отсутствие сигнала, а второе — вероятности того, что и (t) меньше порога или при наличии сигнала.

Положим, что величина и имеет гауссово распределение:

Р (и) - (1 / VW) ехр [ - (и - - t/_c)*/2o«],

где о² — средняя мощность помехи. Тогда слагаемые уравнения (13.6) будут одинаковы и можно записать

Последнее соотношение иллюстрируется табл. 13.1 (P_a = Uc—пиковая мощность импульсного сигнала).

Таблица 13.1

/>п/о-2,дБ	13,3	17,4	19,6	21,0	22,0	23,0
Р ош	10-2	ю-«		ю-8	Ю-ю	10-12

Так как вероятность ошибки резко возрастает при Р_и/о²<;20 дБ, это значение отношения сигнала к шуму принято считать порогом помехоустойчивости. Рабочее значение отношения PJa* для демодулятора принимают обычно большим 20 дБ.

Рассмотрим качество приемника КИМ-сигналов на примере приемника КИМ—ФМ-сигналов, когда применяется двоичная фазовая манипуляция несущей: ор == 0 при передаче нуля и ф = 180° при передаче единицы. Если передается L уровней, то сигнал будет представлен двоичным кодом, состоящим из log₂ L знаков. Демодулятор этого приемника — двухка-нальный коррелятор (см. рис. 13.13) — производит поэлементную обработку сигнала в течение интервалов времени длительностью т = (771og_aL)c.

Качество приемника определяется вероятностью ошибки отождествления знака. В отсутствие шума величина сигнала на выходе демодулятора в конце периода т будет равна ±]/Д>_с, причем знак плюс сортветствует передаче нуля, а минус — единицы.

Вероятность ошибки отождествления знака Р_п.з в случае передачи единицы равна вероятности того, что напряжение, вызванное наличием одного шума в момент времени т, будет меньше — VP с-

Ьероятность ошибки отождествления нуля в силу симметрии будет такой же, как и для единицы. Зависимость вероятности Р„._я от величины P_c77log₂ L (Р_ш/П) показана пунктирной кривой на рис. 13.9.

Анализируя работу демодулятора, можно определить отношение средне-квадратического значения сигнала \^о1 к среднеквадратическому значению ошибки )Ат_ш"² для различного числа уровней L:

Соотношения (13.7), (13.8) позволяют рассчитать основные параметры ЛЧП и демодулятора КИМ-сигналов аналогично расчету демодулятора ВИМ-сигналов.

Рассмотренная система приема КИМ-сигналов называется системой с неизбыточными кодами. Но в системе КИМ-сигналов возможно построение ортогональных сигналов на основе двоичного кода. Тогда каждому уровню сигнала будет соответствовать биполярное кодовое слово, ортогональное бинарным кодовым словам всех остальных уровней. Демодулятор подобного приемника будет состоять из L корреляторов по одному на каждое бинарное слово.

Качество приемника КИМ-сигналов с ортогональными кодами такое же, как у приемника с квантованными ВИМ- и ЧИМ-сигналами. Полоса пропускания в указанных приемниках одинакова: П LIT Гц. В системе КИМ-сигналов с неизбыточными кодами требуемая полоса пропускания меньше: П — log₂ {LIT). Кроме того, демодулятор приемника в этом случае проще, так как в системе с ортогональными сигналами требуется сложный генератор опорных сигналов.

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ