При частотном разнесении одно и то же сообщение передается по нескольким частотным каналам, что возможно в многоканальной системе связи с частотным уплотнением.

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 14

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

При временном разнесении одно и то же сообщение повторяется несколько раз через некоторые интервалы времени, превышающие интервал корреляции (квазипериод) замираний. Прием сигнала осуществляется на один приемник с запоминающим устройством.

При пространственном разнесении сигнал передается одним передатчиком, а прием осуществляется на несколько антенн, расположенных на некотором расстоянии одна от другой. Обычно это расстояние выбирается равным (4-10) , где – длина волны.

При поляризационном разнесении осуществляется прием на две антенны вертикально и горизонтально поляризованных составляющих приходящей электромагнитной волны.

Заметим, что при неизменной скорости передачи частотное разнесение требует расширение полосы частот канала, временное разнесение – увеличение времени работы (или полосы частот при соответствующем уменьшении длительности сигнала). Лишь при пространственном и поляризационном разнесении время работы, полоса частот и мощность передатчика могут оставаться неизменными, однако количество антенн (зачастую очень громоздких и дорогостоящих) увеличивается.

Повышение помехоустойчивости при разнесенном приеме объясняется следующим. На приемное устройство поступает несколько «образцов» одного и того же сигнала, смешанных с различными реализациями помехи (например, внутренних шумов приемника). Чем больше ветвей разнесения, тем больше возможность для статистического различия переданных сигналов путем анализа принятых. Эффективность разнесенного приема будет наибольшей, если помехи в ветвях разнесения (как аддитивные, так и мультипликативные) будут независимы. Независимость помех в отдельных ветвях обеспечивается путем выбора соответствующей величины разноса между ветвями (по пространству, времени или частоте). В каналах с постоянными параметрами разнесенный прием не эффективен и в лучшем случае может обеспечить выигрыш в отношении сигнал/шум во столько раз, сколько имеется ветвей разнесения. Действительно, при суммировании сигналов отдельных ветвей амплитуда полезного сигнала будет увеличиваться в раз, мощность сигнала в раз (сигнал суммируется по напряжению), мощность помехи будет возрастать в раз и отношение сигнал/шум также увеличится в раз. При наличии независимых замираний в отдельных ветвях среднее отношение сигнал/шум возрастает в гораздо большей степени. Действительно, если при одиночном приеме возможны сравнительно длинные перерывы связи из-за падения уровня сигнала, то при разнесенном приеме вероятность одновременного пропадания сигнала во всех ветвях будет очень мала, благодаря чему среднее отношение сигнал/шум резко возрастает.

Помехоустойчивость различных систем разнесенного приема зависит от способа формирования результирующего сигнала, т.е. от способа сложения или комбинирования сигналов от отдельных ветвей разнесения. В общем случае сигнал на выходе схемы комбинирования можно представить в виде следующей комбинации сигналов от отдельных ветвей разнесения:

где – принятый сигнал в i-ой ветви:

– переданный сигнал,

– аддитивная помеха в i-ой ветви,

– мультипликативная помеха в i-ой ветви,

– весовые коэффициенты,

– функция, определяемая способом приема сигналов в отдельных ветвях и способом комбинирования разнесенных сигналов.

При разнесенном приеме, как и при одиночном, существуют оптимальные и неоптимальные способы приема.

Алгоритм работы оптимального приемника зависит от условий распространения сигнала, т.е. от типа канала. В каналах с постоянными параметрами оптимальным является когерентное линейное сложение сигналов от отдельных ветвей разнесения с весовыми коэффициентами , пропорциональными коэффициентами передачи . Когерентное сложение будет оптимальным и в случае каналов с медленными замираниями, когда изменяется возможность автоматической подстройки амплитуды и фазы местных генераторов. В каналах с быстрыми изменениями амплитуды и фазы оптимальным является квадратичное некогерентное сложение.

В практике радиосвязи при разнесенном приеме чаще всего используются некогерентные решающие схемы, отличающиеся от оптимальных как обработкой сигнала в каждой ветви, так и способом комбинирования. Существует много вариантов таких схем. Ниже коротко рассматриваются некоторые из них.

1. Способ дискретного сложения. Этот способ далек от оптимального и использовался, например, в начала двадцатого века в телеграфной системе Бодо-Вердана; в настоящее время почти не используется.

Сущность дискретного способа сложения при разнесенном приеме состоит в том, что в каждой ветви используется самостоятельная решающая схема, выносящая решение на основе анализа сигнала только в данной ветви. Окончательное решение принимается на основании сравнения частных решений, полученных в каждой из ветвей. Отдельные ветви считаются «равноправными», поэтому решение выносится «по большинству голосов», т.е. в пользу того символа, который зафиксирован в большем числе ветвей. Сущность этого метода при телеграфной работе можно продемонстрировать следующей таблицей:

Таблица 12.1 – Сущность метода дискретного сложения

При составлении этой таблицы предполагалось, что в принятой комбинации по каждой ветви был искажен только один знак в кодовой комбинации.

Если в отдельных ветвях элементы комбинации искажаются независимо, то вероятность искажения одного и того же знака комбинации в нескольких ветвях будет мала. Ошибка в окончательном решении будет лишь в том случае, если данный элемент комбинации будет принят неправильно в рассматриваемом примере два или три раза. Вероятность этого события будет равна

В более общем случае ветвей разнесения получим:

Метод дискретного сложения оказывается удобным при временном разнесении, поскольку он требует запоминания только дискретных величин. При разнесении по времени этот метод сложения называют методом повторения или иногда методом накопления.

2. Способ автовыбора по максимальной мощности. Это способ называется еще способом автовыбора наилучшего сигнала с переключением приемников. Он является одним из старейших и до сих пор наиболее распространен. При таком способе решающее устройство имеется в каждой ветви, но окончательное решение путем переключения приемников определяется той ветвью, в которой мощность принимаемого сигнала наибольшая. Для такой системы коэффициенты в (3.1) равны: при и при . Существует много разновидностей этого способа, отличающихся методом сравнения мощностей сигналов в ветвях и методов переключения ветвей. Основная идея состоит в том, что при наличии замираний наиболее достоверное решение может быть получено в той ветви, в которой коэффициент передачи в данный момент имеет наибольшее значение.

3. Способ автовыбора с переключением антенн. Этот способ используется при пространственном разнесении. Здесь путем переключения антенн выбирается та ветвь, в которой сигнал больше некоторого порогового уровня. Выбранная ветвь используется до тех пор, пока сигнал в ней упадет ниже порогового уровня, после чего выбирается другая ветвь. Недостатком этого способа является то, что работа переключающей схемы сопровождается нежелательными переходными явлениями.

4. Способ линейного сложения с одинаковым усилением в каждой ветви, что соответствует в (12.12) значениям коэффициентов ( ). Этот способ будет являться оптимальным, когда отношения сигнал/шум в каждой ветви одинаковы (идентичные ветви разнесения). Сложение сигналов при этом может осуществляться как до детектора, так и после детектора.

5. Комбинированные способы, в которых используются принципы автовыбора и сложения.

Эффективность систем разнесенного приема определяется средним суммарным отношением сигнал/шум и его законом распределения. Эти две характеристики позволяют определить вероятность ошибочного приема. Можно показать, что все практически используемые способы разнесенного приема обеспечивают примерно одинаковую помехоустойчивость, теоретически мало отличающуюся от потенциальной, если аппаратура функционирует точно по заданным алгоритмам. Фактически помехоустойчивость реальной аппаратуры разнесенного приема оказывается значительно ниже теоретической вследствие отклонения от заданных правил решения.

В реальных условиях коэффициенты передачи различных ветвей оказываются коррелированными. Теоретический анализ показывает, что при значениях коэффициента корреляции наличие корреляции почти не влияет на эффективность сдвоенного приема. При больших коэффициентах корреляции помехоустойчивость разнесенного приема снижается.

Рисунок 12.4. Зависимость средней вероятности ошибки от числа ветвей разнесения

На рис. 12.4 в качестве иллюстрации показаны зависимости вероятностей ошибок от отношения сигнал/шум для когерентного приема ДЧМ при рэлеевских замираниях сигнала. Приведенные кривые показывают, что разнесенный прием позволяет существенно повысит помехоустойчивость связи. При этом наибольший эффект получается от использования второй ветви разнесения (сдвоенный прием). Дальнейшее увеличение числа ветвей обеспечивает уже более медленное увеличение помехоустойчивости: строенный прием обеспечивает меньший выигрыш по сравнению со сдвоенным, чем сдвоенный прием по сравнению с одинарным приемом.

12.4. Широкополосные системы связи

Узкополосными системами связи являются такие системы, передача сообщений в которых осуществляется сигналами с минимальными основаниями, т.е. произведение эффективной ширины спектра которых на длительность близко к единице . К таким системам относятся классические системы связи с амплитудной, частотной и фазовой дискретной модуляцией.

Широкополосными являются системы связи, в которых передача сообщений осуществляется сигналами с большим основанием:

Эффективная ширина спектра сигналов в широкополосных системах:

Из этого следует, что широкополосный сигнал представляет собой процесс, основные параметры которого (амплитуда, фаза и частота) являются функциями времени, быстро меняющимися в интервале общей длительности сигнала . В качестве широкополосных могут быть использованы сигналы с выходов шумовых или псевдошумовых генераторов.

К широкополосным сигналам (ШПС) можно отнести, например, последовательность импульсов разной полярности (рис. 12.5)

Рисунок 12.5. Сущность формирования широкополосного сигнала

Если длительность каждого импульса , то весь сигнал, содержащий импульсов, имеет длительность . Cигнал длительностью в этом случае представляет один элемент сообщения и имеет базу

Как известно, коэффициентов разложения сигнала в ряд Фурье определяют сигнал с достаточной точностью, а в геометрическом представлении сигнал изображается в виде N-мерного вектора. Поэтому широкополосные сигналы иногда называются также составными, сложными, многомерными и т.д.

Широкополосными (шумоподобными) называются также детерминированные сигналы, корреляционные функции которых имеют такой же вид, как и корреляционная функция флуктуационного шума, т.е. имеет лишь один значительный центральный максимум при и интервал корреляции

Возможность успешного применения широкополосных сигналов для передачи сообщений непосредственно следует из современной теории связи. Действительно, К.Шенноном было показано, что идеальной системе связи сигнал должен иметь статическую структуру белого шума, а согласно теории В.А.Котельникова помехоустойчивость каналов с флуктуационными шумами определяется только отношением энергии сигнала к спектральной плотности помехи и не зависит от полосы частот, занимаемой сигналом.

Системы связи с широкополосными сигналами и узкополосные системы связи имеют одинаковую помехоустойчивость относительно широкополосных (флуктуационных и импульсных) помех. В конкретных условиях различие может возникнуть в пользу широкополосных систем, т.к. одна и та же помеха для узкополосной системы связи может оказаться широкополосной, а для широкополосной системы связи – относительно узкополосной. Относительно сосредоточенных по спектру (например, синусоидальных) помех широкополосные системы связи имеют более высокую помехоустойчивость.

Количество каналов связи, которые могут быть размещены в одном и том же диапазоне частот, для широкополосных и узкополосных систем практически одинаково. Причем если узкополосные сигналы размещаются так, чтобы их спектры взаимно не перекрывались, то широкополосные сигналы всех каналов занимают один и тот же спектр частот. Разделение каналов осуществляется за счет различия формы передаваемых широкополосных сигналов с помощью корреляторов или согласованных фильтров.

Передачу дискретных сообщений (например, кодовых элементов) можно осуществить с помощью двух независимых генераторов Г₁ и Г₂ (рис. 12.6) шумоподобных сигналов и , отличающихся по форме. В передатчике (П) сигналы переносятся в заданный диапазон частот и передаются по линии.

Рисунок 12.6. Структурные схемы передачи и приема ШПС

В приемнике сигнал поступает на согласованные фильтры СФ₁ и СФ₂, один из которых согласован с сигналом , а второй – с . На выходах фильтров наблюдается функция взаимной корреляции принятого сигнала и сигнала, ожидаемого данным фильтром.

В решающем устройстве (РУ) сравниваются выходные сигналы фильтров (если , принимается решение, что был передан сигнал , если , то ). Максимальное значение функции взаимной корреляции будет больше на выходе того фильтра, характеристики которого в большей степени согласованы с принимаемым в данный момент времени сигналом .

Если для передачи сообщений используется многопозиционный код (с основанием ), необходим набор соответствующего числа шумоподобных сигналов с хорошими взаимокорреляционными свойствами.