Группы методов повышения ПУ систем связи

1) Повышение отношения сигнал-помеха на входе приемника. Этого можно добиться увеличением уровня сигнала или уменьшением уровня помех. Увеличение уровня передаваемого сигнала приводит к усложнению проблемы электромагнитной совместимости и взаимному влиянию в многоканальных системах, поэтому уровень передаваемого сигнала ограничивается. Увеличение уровня сигнала на входе приемника достигается уменьшением ослабления на пути его прохождения по направляющим системам, увеличением коэффициента усиления антенн, повышением КПД ввода в волноводы, световоды и др.

Уменьшение уровня помех производится подавлением помех в местах их возникновения и на путях проникновения ко входу приемника (экранирование, заземление, фильтрация и др.), уменьшением до допустимых норм взаимного влияния между цепями многопроводных линий (симметрирование, скрещивание, экранирование и др.), применением малошумящих усилителей и др.

2) Обработка сигналов в приемнике. Ее цель – выделить сигнал и подавить помехи. Наилучшие результаты обеспечивает оптимальная обработка. Однако все оптимальные способы технически сложны и на практике применяются квазиоптимальные.

3) выбор сигналов при заданных свойствах канала. При передаче дискретных сообщений осуществляется переход от ЧМн к ОФМн и многопозиционным сигналам, при передаче дискретных сообщений – от АМ к ОМ или ЧМ. Перспективны цифровые способы передачи непрерывных сигналов (например, ИКМ).

4) Разнесенный прием, при котором одно и то же сообщение передается по различным каналам связи с последующим автовыбором канала с лучшим отношением сигнал-помеха. Применяют разнесение по времени, частоте, фазе, поляризации, в пространстве.

5) Использование обратной связи (ОС). Применяется при передаче дискретных сигналов. В этом случае между источником и потребителем информации имеются как прямой, так и обратный каналы.

Различают системы с информационной (ИОС) и решающей (РОС) ОС.

При ИОС принятое сообщение по обратному каналу передается к источнику, где сравнивается с переданным сообщением. При выявлении ошибок и неточностей все сообщение передается снова.

При РОС ошибки выявляются на приеме (например, с помощью кодов, обнаруживающих ошибки). Далее формируется специальная команда, которая передается по обратному каналу. При получении этой команды источник повторяет передачи только ошибочно принятых символов сообщения.

Недостатками систем с ОС являются усложнение оборудования и увеличение времени передачи.

6) Применение корректирующих кодов. Хорошие коды являются сложными и технически трудно выполнимыми, поэтому используются в высококачественных системах связи (например, спутниковых).

 

ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ

Общие сведения

Сущность оптимального приема состоит в том, чтобы для выделения переданного сигнала использовать такие преобразования принимаемого колебания на выходе канала передачи, при которых обеспечивается наибольшая помехоустойчивость. Совокупность таких преобразований называют алгоритмом оптимального приема данного сигнала при передаче его по данному каналу.

В цифровых системах связи, как правило, применяется поэлементный прием. Поэлементный (посимвольный) прием – способ приема, при котором решение о переданном сигнале принимается отдельно для каждого сигнала, независимо от принятого ранее.

В теории приема сигналов пользуются различными критериями оптимальности. Критерий оптимальности приема – признак, на основании которого производится оценка обработки принятого сигнала как наилучшая. Его выбор зависит от условий работы.

При передаче дискретных сигналов широко используется критерий идеального наблюдателя (критерий котельникова). Согласно ему тот приемник считается оптимальным, который обеспечивает минимум полной вероятности ошибки. Записывается в виде:

.

Полная вероятность ошибки вычисляется как математическое ожидание вероятности ошибки каждого из первичных сигналов :

,

где - вероятность передачи сигнала ;

- общее число первичных сигналов.

На практике наиболее часто встречается случай передачи двоичных первичных сигналов сигналами, сформированными методами АМн, ЧМн и ФМн, в канале с аддитивным гауссовским шумом.

Аддитивная помеха – помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Гауссовский шум представляет собой стационарный эргодический случайный процесс с гауссовским (нормальным) распределением вероятности.

Таблица 27.1 – Алгоритмы оптимального приема при аддитивном гауссовском шуме.

Вид модуляции	Алгоритм
АМн
ЧМн
ФМн

Использованные в таблице обозначения:

- двоичные первичные сигналы, соответствующие символам «1» и «0»;

- модулированные сигналы длительности с различными амплитудами (при АМн), частотами (при ЧМн) или фазами (при ФМн);

- энергия сигнала ;

- принятая сумма сигнала и помехи.

Приведенные алгоритмы можно реализовать двумя способами: на основе корреляторов, на основе согласованных фильтров.

Коррелятор (активный фильтр) – устройство, состоящее из трех блоков: перемножителя, генератора и интегратора - и используемое для вычисления скалярного произведения сигналов . Используется в случае, когда сигналы имеют сложную форму.

Поэтому приведенные на рисунке 27.1 схемы получили название оптимальных корреляционных приемников.

Рисунок 27.1 – Структурные схемы оптимальных когерентных приемников на корреляторах: а – АМн сигналов; б – ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

Используемые обозначения:

- генераторы опорных сигналов , форма которых повторяет форму обнаруживаемых сигналов;

- перемножитель;

- интегратор;

- решающее устройство.

Схемы приемников сигналов с АМн и ФМн одноканальные (имеют одну ветвь обработки), с ЧМн – двухканальные (имеют две ветви обработки). В РУ результат интегрирования сравнивается с порогом, равным половине энергии сигнала для АМн, и нулевым для ФМн либо результаты интегрирования сравниваются друг с другом для ЧМн. На выходе РУ формируются первичные сигналы в зависимости от знака неравенства.

Для работы генераторов, интеграторов и решающего устройства используются синхронизирующие тактовые импульсы, получаемые от специального устройства. Эти импульсы определяют начало и конец интервала интегрирования и момент вынесения решения о принятом сигнале.

Согласованный фильтр (СФ) – пассивный линейный фильтр с постоянными параметрами и импульсной характеристикой:

,

где - произвольный коэффициент пропорциональности;

- сигнал длительностью , по отношению к которому данный фильтр является согласованным;

- задержка в фильтре или момент отсчета.

Импульсная характеристика – реакция линейного четырехполюсника на воздействие в виде очень короткого прямоугольного импульса с достаточно большой амплитудой.

Импульсная характеристика согласованного с сигналом фильтра совпадает с зеркальным изображением этого сигнала, сдвинутым в положительном направлении по оси времени на длительность .

Рисунок 27.2 – Сигнал и импульсная характеристика согласованного с ним фильтра при .

Форма сигнала на выходе СФ существенно отличается от формы сигнала на входе. Отношение сигнал-помеха на выходе СФ является максимально достижимым для линейных фильтров. СФ обеспечивает максимально возможное мгновенное значение сигнала на выходе в момент отсчета на сигнал, с которым он согласован. Оно численно равно энергии этого сигнала.

Рисунок 27.2 – Форма сигналов на входе и выходе СФ.

СФ в схемах приемников заменяют генераторы, перемножители и интеграторы.

Рисунок 27.3 – Структурные схемы оптимальных когерентных приемников на СФ: а – АМн сигналов; б - ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

Некогерентный прием

Применяется в каналах с переменными параметрами (фаза меняется случайно) или при технических трудностях определения фазы с целью упрощения схем. Некогерентный прием нельзя осуществить для сигналов с ФМн, т.к. здесь передаваемая информация заложена в изменении фазы.

Рисунок 27.4 – Структурные схемы оптимальных некогерентных

демодуляторов: а – АМн сигналов; б – ЧМн сигналов.

Решение в РУ о передаваемом сигнале принимается по значениям огибающей, для выделения которой в схему приемников после цепей обработки (СФ) включается амплитудный детектор АД.

Неоптимальный прием

На практике во многих случаях применяют более простые и надежные неоптимальные варианты приемного устройства ценой некоторой потери помехоустойчивости.

Структурная схема демодуляторов АМн и ЧМн сигналов в этом случае аналогична структурным схемам оптимальных некогерентных демодуляторов, но вместо СФ здесь применяют полосовые фильтры (ПФ) до детектора и манипуляционный ФНЧ после детектора.

ПФ додетекторной обработки ограничивает мощность помех на входе детектора. В зависимости от полярности напряжения на выходе ФНЧ в решающем устройстве РУ формируются выходные сигналы или .

При ФМн обязательно используется когерентный прием.

Рисунок 27.5 – Структурная схема неоптимального когерентного приемника ФМн сигналов.

ФД выполняет роль перемножителя, ФНЧ – интегратора. Опорный генератор системой ФАПЧ подстраивается так, чтобы частота и фаза его колебаний совпадала с частотой и фазой одного из сигналов (например, ).

Приведенный приемник обладает существенным недостатком: использование для фазовой синхронизации принимаемого сигнала приводит к ОБРАТНОЙ РАБОТЕ (выходной сигнал заменяется на и наоборот). Обратная работа возникает, когда фаза колебаний генератора меняется на противоположную случайным образом в результате воздействия помех в канале.

Этот недостаток устранен в системах с ОФМн. Наибольшее распространение получили два метода приема ОФМн сигналов: метод сравнения фаз и метод сравнения полярностей (когерентный прием).

Рисунок 27.6 – Структурные схемы приемника ОФМн сигналов: а – по методу сравнения фаз; б – по методу сравнения полярностей.

Метод сравнения фаз обеспечивает когерентный прием. Система ФАПЧ и генератор , дающие эффект обратной работы, заменены на линию задержки на время (ЛЗ). В ФД производится сравнение фаз принятого сигнала и опорного, в качестве которого используется предыдущий принятый сигнал . Выходные сигналы после ФД формируются в зависимости от полярности напряжения на выходе ФНЧ.

Метод сравнения полярностей обеспечивает когерентный прием. Принимаемый сигнал сначала обрабатывается когерентным демодулятором ФМН. На его выходе наблюдается обратная работа. Ее устраняет относительный декодер (схема сравнения полярностей), который состоит из ЛЗ и сравнивающего устройства (СУ)). В СУ сравниваются полярности настоящей и предыдущей посылок и вырабатывается выходной сигнал: положительное напряжение – если полярности совпадают, отрицательное – если полярности разные.