Синтез радиосигнала и оптимального устройства его приема. Предельные характеристики качества передачи информации

 

Для передачи и приема информации используются различные радиотехнические системы. Общее требование, обычно предъявляемое к любой такой системе, состоит в достоверном и своевременном получении большого объема информации из радиосигналов с ограниченной энергетикой.

Однако достоверному приему информации по реальным каналам препятствуют:

1) случайные искажения переданного полезного сигнала при распространении через турбулентную среду;

2) неизбежное наличие разнообразных (внешних и внутренних) помех. В результате принимаемое колебание  (результирующий сигнал, наблюдение) всегда оказывается в той или иной мере случайным. Ясно, что искажения сигнала и помехи уменьшают вероятность правильного приема переданного информационного сообщения.

Приемник, для которого искажения сообщения в определенном смысле (по определённому критерию) минимальны, называется оптимальным или идеальным (наилучшим) в этом смысле. При выбранном критерии качества работы и заданных условиях приема оптимальный приемник обеспечивает предельные характеристики качества передачи информации. Этот минимальный уровень искажений часто называют потенциальной помехоустойчивостью.

При заданных условиях радиоприема потенциальная помехоустойчивость не может быть превзойдена реальным радиоприемником, и можно лишь стремиться к ее достижению. Сравнивая помехоустойчивость реальных приемников с потенциальной помехоустойчивостью, можно выяснить степень технического совершенства реальных приемников и возможные резервы повышения их помехоустойчивости.

Общую задачу синтеза РСПИ условно можно подразделить на две задачи: выбор (синтез) наилучших сигналов для достижения поставленной цели с учётом реальной обстановки и синтез алгоритма (структурной схемы) оптимального приёма (обработки) принимаемых сигналов.

Решение второй задачи (оптимального приёма) позволяет также определить наилучшие виды передаваемых сигналов. Для этого следует сравнить значения потенциальной помехоустойчивости при различных видах сигналов. Сигнал, для которого при заданных условиях радиоприёма получается наибольшая потенциальная помехоустойчивость, является наилучшим. Возможные виды сравниваемых сигналов следует определять на основе рассмотренных в первой главе информационных подходов. Здесь следует отметить, что основные результаты теории информации хорошо согласуются с выводами теории оптимального приёма. Результаты применения информационных критериев выбора сигналов во многих случаях прямо совпадают с результатами применения теории оптимального приёма. Например, установлено, что оптимальные приёмники, обеспечивающие максимум правдоподобия, являются оптимальными и по информационному критерию.

Рассмотрим основные задачи оптимального приема радиосигналов. Пусть на конечном временном интервале [0,T] принимается колебание , являющееся детерминированной функцией от полезного сигнала  и помехи :

,

где F – функция, определяющая способ комбинирования полезного сигнала  и помехи , в самом распространённом случае действия аддитивной помехи ;  — вектор параметров, от которых зависит сигнал. Если, например, сигналом является прямоугольный радиоимпульс длительностью , то

В данном конкретном примере сигнал зависит от пяти параметров: амплитуды , частоты , начальной фазы , длительности импульса  и момента его появления  относительно принятого отсчета времени.

В зависимости от целевого назначения разные системы передачи информации работают в различных условиях и к ним предъявляются разные требования. Исходя из этих требований, а также из методических соображений, для типовых РСПИ условно можно сформулировать четыре частные задачи оптимального приема.

1. Обнаружение сигнала. Пусть неизвестен сам факт наличия или отсутствия полезного сигнала  в принятом колебании . Требуется по принятой конкретной реализации  решить оптимальным образом присутствует или отсутствует сигнал . Эта задача встречается в двоичных цифровых РСПИ с пассивной паузой.

2. Различение сигналов. Принятое колебание  представляет собой некоторую функцию от помехи  и только одного из нескольких возможных сигналов . Нужно по принятой реализации  вынести оптимальное решение — какой из сигналов присутствует в ней. Задача различения сигналов характерна для различных цифровых РСПИ.

3. Оценка параметров сигнала. Пусть какой-либо параметр  сигнала  является сл.в. Необходимо с минимальной погрешностью определить значение этого параметра в принятой реализации . Если полезный сигнал зависит от нескольких случайных параметров, то может быть поставлена задача о совместной оценке двух и большего числа параметров. Задача характерна для телеметрических и командных РСПИ систем радиотелеуправления при передаче непрерывных команд.

4. Фильтрация сообщений. Пусть интересующий нас параметр полезного сигнала  зависит от времени и представляет собой информационное сообщение — случайный процесс . Располагая сведениями о помехе , нужно получить (отфильтровать, выделить наилучшим образом) текущую оценку  реализации случайного сообщения , содержащейся в наблюдаемой реализации .

Задачи фильтрации возникают в связных телефонных и телеметрических РСПИ (выделение речевого или какого-либо другого сообщения), в телевизионных РСПИ (выделение телевизионного сообщения). Также задачи фильтрации необходимо решать в радиосистемах передачи дискретных сообщений для слежения за изменяющимися сопутствующими непрерывными параметрами радиосигнала.

Теория фильтрации охватывает перечисленные выше задачи обнаружения, различения и оценки параметров сигналов; они являются частными случаями задачи фильтрации.