ОБОЩЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

 

 

7.1. СИГНАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЮМЫЕ В РАДИОСВЯЗИ

 

В главе 1 уже отмечалось, что сообщение преобразуется с помощью специального устройства в некоторую элект­рическую величину — первичный сигнал. Как правило, первичный сигнал, отображающий исходное сообщение, является низкочас­тотным колебанием. В ряде случаев первичный сигнал может непосредственно передаваться по линии связи (например, как это делается в телефонной связи). Для передачи же первичного сигнала на большие расстояния его необходимо преобразовать в высокочастотный сигнал.

На рис. 7.1 показаны основные виды сигналов (а — непре­рывный по состоянию и по времени; б — дискретный по состоя­нию, непрерывный по времени; в — непрерывный по состоянию, дискретный по времени; г — дискретный по состоянию и по вре­мени). Последний сигнал часто называют цифровым, так как его уровни можно представить числами с конечным количеством разрядов.

 

Рис. 7.1

Передаваемые сообщения только тогда несут информацию, когда отражают случайные события. Поэтому и сигнал, соот­ветствующий передаваемому сообщению, является случайной функцией.

Поскольку при передаче сигналов на них действуют случай­ные помехи и другие возмущения, то в радиосвязи главенству­ющую роль играют теория случайных процессов и теория вероят­ностей. В связи с этим очень важно определить, какой функцией описать сигнал, какие параметры являются основными с точки зрения его передачи. Известно, что к основным параметрам любого сигнала относятся его длительность Т_с, динамический диапазон D _с и ширина спектра F _с. (рис.1.3). На основе трех основных параметров Т_с , F _с и D _с определяют объем сигнала

                                             V_c = Т_с F _с D _с .                                (7.1)

                                                      

Важной характеристикой является также база сигнала, которая на­ходится как произведение ширины спектра сигнала F _с на его длительность Т_с

 

      В_с= F _с Т_с.                            (7.2)

Сигналы с базой В_с  1 называются простыми, а сигналы с базой В_с > 1 — сложными. Особый интерес представляют сигналы с базой В_с >> 1.

Первичный электрический сигнал невозможно эффективно излучать в среду распространения радиоволн, поэтому его преоб­разовывают в высокочастотный. Для этого на передающей стороне выбирают высокочас­тотный физический процесс в качестве переносчика или несуще­го колебания. Радиосигналы формируются путем изменения одно­го или нескольких параметров несущего колебания по закону первичного сигнала. Процесс преобразования непрерывного пер­вичного сигнала в высокочастотный сигнал, как известно, называется модуля­цией, а дискретного сигнала в высокочастотный — манипуляцией.  Этим процессом часто предшествует кодирование, при котором элементы сообщения заменяются последова­тельностью кодовых символов.

Таким образом, на передающей стороне превращение сообщения в сигнал в общем случае состоит из трех операций: преобразования, кодирования и модуляции.

В качестве несущего высокочастотного колебания в радиосвя­зи могут использоваться гармонические колебания вида

 

                       (7.3)

 

Параметрами этого колебания являются амплитуда U₀, час­тота  и фаза  Модуляция здесь заключается в изменении одного из параметров высокочастотного колебания (амплитуды, частоты или фазы) по закону первичного информационного сиг­нала.

Переносчиком первичного сигнала может служить последовательность высокочастотных им­пульсов. В этом случае модуляция состоит в изменении ампли­туды, длительности, временного положения импульсов и т. д.

И наконец, в качестве переносчика или несущего колебания могут использоваться стационарные высокочастотные случайные про­цессы. Здесь модулируемыми параметрами являются числовые характеристики случайных процессов, которые в силу своей ста­ционарности постоянны.

Независимо от вида несущего высокочастотного колебания модулированный сигнал радиосвязи можно представить произве­дением

                                 (7.4)

где f(t) — функция, описывающая высокочастотный переносчик; М — модулирующая функция, описывающая передаваемый сигнал u(t).

Заметим, что в ряде случаев сигнал u(t) может подвергаться предварительным преобразованиям (например, из непрерывного преобразуется в дискретный сигнал и т. п.).

Преобразование вида (7.4) называется первой ступенью модуляции . Во многих случаях оно и остается единственным. Од­нако для некоторых видов связи может использоваться вторая и третья ступень модуляции. Так, в радиорелейных системах радио­связи применяется двухступенчатая модуляция.

Спектр модулированного колебания (7.4) существенно зави­сит как от вида переносчика, так и от вида модулирующего сиг­нала.

 

7.2.СИСТЕМА, ЛИНИЯИКАНАЛРАДИОСВЯЗИ

Общая формулировка, что такое система связи, приведена в главе 1. Переходя к терминологии радиосвязи под системой радиосвязи будем понимать совокупность средств свя­зи и среду распространения радиоволн, обеспечивающих передачу различного рода сообщений между абонентами. Система радио­связи в рассматриваемом случае совпадает с понятием радио­системы передачи. Система радиосвязи (радиосистема передачи) включает в свой состав линию и канал радиосвязи.

Линия радиосвязи представляет собой совокупность средств связи, обеспечивающих образование каналов и групповых трак­тов первичной сети связи, имеющих общую среду распростране­ния радиоволн, а также линейные и антенно-мачтовые сооруже­ния и устройства их обслуживания.

Показатели систем радиосвязи определяются характеристиками линий радиосвязи, которые прежде всего зависят от диапа­зона применяемых частот. Классификация диапазонов частот, используемая в радиосвязи, приведена в таблице7.1.

                                                                       Таблица 7.1

1 2 3 4     5     6 7

Сверхдлинные (СДВ) Длинные (ДВ) Средние (СВ) Короткие (КВ)     Ультракороткие (УКВ)     Миллиметровые (ММВ) Субмиллиметровые (СММВ)

Мириаметровые Километровые Гектаметровые Декаметровые   Метровые (МВ) Дециметровые (ДЦМ) Сантиметровые (СМВ)   Миллиметровые (ММВ) Децимиллиметровые

10 – 100 км 1 – 10 км 0,1 – 1 км  10 – 100 м   1 – 10 м 0,1 – 1 м 1 – 10 см   1 – 10 мм 0,1 – 1 мм

3 – 30 кГц 30 – 300 кГц 0,3 – 3 МГц 3 – 30 МГц   30 – 300 МГц 0,3 – 3 ГГц 3 – 30 ГГц   30 – 300 ГГц 0,3 – 3 ТГц

Каналом радиосвязи называется совокупность средств связи и среды распространения радиоволн, обеспечивающая при под­ключении оконечных устройств передачу сообщений между абонентами радиосвязи.

Структурная схема системы радиосвязи (радиосистемы пере­дачи) приведена на рис. 7.2.                             

Устройство, которое преобразует сообщение в высокочастот­ный сигнал, называется передающим устройством. В состав пере­дающего устройства входит преобразователь сообщения в первичный сигнал, кодирующее устройство, модулятор и высокочастот­ный генератор. Модулятор и высокочастотный генератор образу­ют радиопередатчик.

Устройство, которое преобразует принятый высокочастотный сигнал в сообщение, называется приемным устройством. В сос­тав приемного устройства входит высокочастотный линейный усилитель, демодулятор, декодирующее устройство и преобразо­ватель сигнала в сообщение. Высокочастотный линейный усили­тель и демодулятор образуют радиоприемник.

 

 

Рис. 7.2

 

В системе радиосвязи специфическим элементом является сво­бодное пространство между радиопередатчиком и радиоприем­ником, в котором распространяются электромагнитные волны. Пе­редача сигнала может сопровождаться наложением помех. Поме­хи могут быть естественными или искусственными. В последнем случае помехи подразделяются на непреднамеренные, например, от других радиоэлектронных средств, и преднамеренные, напри­мер, радиоэлектронное противодействие. Поскольку преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым, то необходимо принимать специальные меры, по возможности исключающие вредные воздействия различных посторонних возмущений на сиг­нал. С этой целью в системах радиосвязи могут применяться раз­личные способы помехоустойчивого 'кодирования, предыскажения сигналов и т. п. Приемное устройство на основе анализа приня­того колебания должно восстановить, какое сообщение передава­лось. Поэтому оно представляет собой одно из наиболее слож­ных элементов системы радиосвязи.

В том случае, когда сигналы, поступающие на вход канала радиосвязи и снимаемые с его выхода, представляют собой сигналы, дискретные по состоянию, канал называется дис­кретным. Если же на входе и выходе канала сигналы являются непрерывными по состоянию, то канал называется непрерывным. Каналы могут быть также дискретно-непрерывными и непрерыв­но-дискретными. В первом случае на вход канала поступает дис­кретный сигнал, а с выхода снимается непрерывный. Во втором случае все происходит наоборот. Таким образом, канал может быть как дискретным, так и непрерывным независимо от вида пе­редаваемых сообщений. Следовательно, в одной и той же системе радиосвязи можно выделить как непрерывный, так и дискрет­ный каналы.

Канал радиосвязи имеет ряд особенностей, вызванных преж­де всего наличием среды распространения радиоволн.

1. Затухание в канале радиосвязи может достигать 160 дБ. Уровень сигнала на входе приемника часто измеряется величи­нами порядка 10^-10 – 10^-14 Вт. Для получения, нормального уровня сигнала на выходе приемника необходимо усилить его в 10¹⁰ - 10¹⁴        раз по мощности. А так как сигнал на входе прием­ника может быть соизмерим с флуктуационными шумами, то отделить сигнал и шум на выходе приемника крайне затруднительно.

2. Канал радиосвязи имеет переменное затухание, изменяю­щееся в широких пределах. Это в свою очередь влияет на постоянство выходного уровня сигнала, а следовательно, на надеж­ность срабатывания регистрирующей аппаратуры.

3. Кроме затухания канал радиосвязи подвержен замираниям сигналов, вызванных интерференцией лучей, пришедших в точку приема различными путями, протяженность которых все время меняется как результат пространственной флуктуации земной ат­мосферы.

Замирания могут быть общими для всех частотных состав­ляющих спектра сигнала и селективными для отдельных сос­тавляющих спектра сигнала. Последние вызывают значительную деформацию принимаемого сигнала.

4. Среда распространения радиоволн является общей для всех каналов радиосвязи. Это приводит к появлению взаимных помех при работе различных радиосредств. Даже организованное использование частотного диапазона не может исключить вза­имных помех хотя бы по причине несовершенства радиоаппара­туры, создающей побочные излучения в области частот, значи­тельно превышающей ту, .которую ей отвели. Это создает проб­лему электромагнитной совместимости средств радиосвязи. В на­стоящее время все вопросы использования каналов радиосвязи решаются совместно с задачами электромагнитной совместимос­ти (ЭМС) [21].

Кроме взаимных помех на сигнал могут действовать помехи природного и промышленного происхождения, а также специаль­но организованные помехи.

5. Передаваемый сигнал может искажаться каналом радио­связи за счет ограничения его спектра частот, неравномерности ам­плитудно-частотных и нелинейности частотно-фазовых характеристик, неполного согласования антенно-фидерного тракта с приемо-передающими устройствами и т. п.

Из рассмотрения специфических особенностей канала радио­связи видно, что он по сравнению с проводным каналом связи на­ходится в более тяжелых условиях. С одной стороны, он под­вержен замиранием, а с другой, — воздействию большого ко­личества помех, действующих со стороны среды распростране­ния радиоволн.

Обобщенной характеристикой канала радиосвязи может служить его емкость

V_K =T_K D_K F_K ,                             (7.5)

где T_K — время передачи сигнала по каналу радиосвязи;

D_K — динамический диапазон канала радиосвязи;

F_K — полоса пропускания канала радиосвязи.

В отличие от динамического диапазона сигнала D _С динами­ческий диапазон канала радиосвязи есть отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности помех в канале радиосвязи.

Для неискаженной передачи сигнала по каналу радиосвязи необходимо выполнить общее условие

                                                   V_С  V_{K .}                              (7.6)

В частном же случае сигнал должен быть согласован с ка­налом радиосвязи по всем трем параметрам

T_С T_K;D_С D_K; F_С F_K.          (7.7)

Согласование сигнала с каналом радиосвязи производится при преобразовании первичного сигнала в высокочастотный сигнал. При этом, если даже исходные параметры первичного сиг­нала не позволяли выполнить условие (7.7), в процессе формирования высокочастотного сигнала есть возможность произвести o6мен одного параметра сигнала на другой, например, длительности сигнала на ширину его спектра, путем изменения скорости передачи. Существуют также способы обмена ширины спектра на его динамический диапазон и, наоборот, путем перехода от узкополосных к широкополосным видам модуляции.

Системы радиосвязи могут использоваться как для двух, так и для многих абонентов. В связи с этим различают многоканальные (МКС) и многоадресные (MAC) системы радиосвязи.

 

Рис. 7.3

В многоканальной системе радиосвязи (рис. 7.3) исходные сообщения а₁, а₂, …, а _n преобразуются в первичные электриче­ские сигналы u₁(t), u₂(t), …, u_n(t), затем по некоторым признакам в каналообразующей аппаратуре (КОА) они преобразуются в групповой сигнал u(t), с помощью которого осуществляется мо­дуляция несущего высокочастотного колебания радиопередат­чика и излучение полученного сигнала z(t) с помощью антенны в среду распространения радиоволн.

Воздействие среды распространения радиоволн приводит к тому, что принятый приемником сигнал  отличается от переданного сигнала z(t) в силу воздействия на него помех и искажений. Принятое колебание  преобразуется в групповой сигнал , из которого затем с помощью каналообразующей аппаратуры (КОА) выделяются индивидуальные сигналы , , ..., , no которым восстанавливаются соответствующие сообщения , ,..., .

В многоканальных системах обычно используется каналообразующая типовая аппаратура, применяемая в проводных средствах связи, хотя в некоторых случаях эта аппаратура может быть и нетиповой. На практике наибольшее применение получила каналообразующая аппаратура, основанная на частотном и временном разделении сигналов (см. главу 2).

Многоадресные системы радиосвязи предназначены также для ведения многоканальной работы, но в данном случае разделение сигналов абонентов осуществляется другими способами, в част­ности путем присвоения им определенного адреса. Здесь может применяться разделение сигналов по частоте и времени, а также по форме.

7.3. СРЕДСТВА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

Система радиосвязи кроме источника и получателя сообщений (абонентов) включают в себя средства связи, которые обеспечивают передачу, прием и обработку сигналов.

Эти средства связи на рис. 7.2 обозначены как передающее и приемное устройства.

Передающее устройство включает в свой состав технические средства между источником сообщений и средой распространения радиоволн. Кроме того, в его состав входят передающая часть оконечной аппаратуры, радиопередатчик и антенно-фидерная сис­тема.

Передающая часть оконечной аппаратуры служит для пре­образования сообщения в первичный электрический сигнал, кото­рый затем поступает на радиопередатчик.

Радиопередатчик осуществляет следующие операции:

— преобразует первичный электрический сигнал в высоко­частотный сигнал;

— формирует требуемое количество рабочих частот в задан­ном диапазоне;

— обеспечивает высокочастотному сигналу необходимую мощ­ность.

Формирование высокочастотных сигналов в заданном частот­ном диапазоне осуществляется, как правило, в возбудителе. Дальнейшее усиление сигнала до необходимого уровня обеспе­чивается с помощью усилителя мощности. Затем по фидеру энергия высокочастотного сигнала от усилителя мощности пере­дается в антенну и излучается в свободное пространство в сто­рону приемного корреспондента.

Приемное устройство включает в свой состав технические средства между средой распространения радиоволн и получате­лем сообщений. В его состав входят антенно-фидерная система, радиоприемник и приемная часть оконечной аппаратуры.

Приемная антенна преобразует электромагнитные волны в вы­сокочастотный сигнал, который передается по фидеру на вход радиоприемника.

Радиоприемник осуществляет следующие операции:

— выделяет высокочастотный сигнал, максимально подавляя помехи;

— усиливает высокочастотный сигнал до требуемого уровня;

— преобразует высокочастотный сигнал в первичный элект­рический сигнал.

При последнем преобразовании первичному электрическому сигналу придаются такие форма и уровень, которые обеспечива­ют надежную работу оконечных устройств получателя.

Радиоприемники последних поколений строятся по супергете­родинной схеме. В таких радиоприемниках посредством после­довательных преобразовании принятый высокочастотный сигнал переносится в область таких низких частот, при которых обеспечивается наилучшая обработка сигнала. Та часть радиоприемни­ка, которая осуществляет отмеченные выше частотные преобра­зования для всех предусмотренных видов сигналов, называется общим трактом. Оптимальная обработка каждого вида сигнала производится в отдельном тракте, который называется трактом вида сигнала или частным трактом.

Приемная часть оконечного устройства преобразует первич­ный электрический сигнал в сообщение.

В радиоприемных устройствах во всех его элементах предус­мотрены меры для обеспечения максимального отношения сиг­нал/помеха.

Борьба с помехами в антенне, например, ведется путем при­дания ей резонансных свойств и пространственной избиратель­ности. В общем и частных трактах радиоприемника обеспечива­ются все виды избирательности сигнала. В оконечных устройст­вах устанавливаются решающие схемы, которые позволяют на ба­зе анализа сигнала получить наибольший эффект.

В современных системах радиосвязь обычно бывает дуплек­сной, поэтому в каждом пункте радиосвязи устанавливают как передающее, так и приемное устройство. Объединенные совмест­но приемное и передающее устройства образуют комплекс техни­ческих средств, который называется радиостанцией.

Каждая радиостанция обладает определенными тактико-тех­ническими данными. Основными из них являются назначение радиостанции, диапазон рабочих частот, виды используемых сиг­налов, режимы работы, мощность передатчика, чувствительность приемника, дальность радиосвязи, принцип использования, мо­бильность, габариты и т. п.

С целью централизованного управления радиостанциями при обслуживании большого числа абонентов радиостанции могут объединяться в радиоузлы или центры радиосвязи.

Для ведения радиосвязи маломощными радиостанциями на небольшие расстояния могут создаваться стационарные или под­вижные приемо-передающие узлы радиосвязи. В случае же ве­дения радиосвязи на большие расстояния с помощью мощных радиостанций для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС), а также удобства управления техническими средствами радиоприемные устройства объединяются в приемные центры, а радиопередающие устройства — в передающие центры. Как пра­вило, приемные центры располагаются в непосредственной бли­зости к получателям сообщений. Передающие центры, напро­тив, удаляются от приемных центров на значительные расстоя­ния, что вызывает необходимость применения специальных средств дистанционного управления. Поэтому во всех современ­ных технических средствах систем радиосвязи предусматривает­ся возможность как местного, так и дистанционного управления.

7.4. КЛАССИФИКАЦИЯ КАНАЛОВ РАДИОСВЯЗИ

Каналы радиосвязи можно классифицировать по следующим признакам:                                 

— по назначению;            

— по виду передаваемых сигналов;

— по характеру сигналов на входе и выходе канала;

— по изменяемому параметру сигналов;

— по диапазону используемых частот;

— по использованию особенности среды распространения ра­диоволн;

— по порядку обмена информацией;

— по параметрам канала и т. д.

По назначению каналы радиосвязи можно подразделить на коммерческие и специальные. Назначение канала определяет область возможного ее использования.

По виду передаваемых сигналов различают телефонные, теле­графные, телевизионные, телеметрические и другие каналы ра­диосвязи.

По характеру сигналов на входе и выходе каналы радиосвя­зи могут быть:

1) дискретные как на входе, так и на выходе;

2) непрерывные как на входе, так и на выходе;

3) дискретные на входе, но непрерывные на выходе и наобо­рот. Эти каналы называются дискретно-непрерывными или полу­непрерывными.

Напомним, что любой дискретный и дискретно-непрерывный канал обязательно содержит в себе непрерывный канал. Кроме того, дискретность и непрерывность канала не зависят от вида передаваемого сообщения. В параграфе 7.1 отмечалось, что пе­редачу дискретных сообщений можно производить по непрерыв­ному каналу, а передачу непрерывных сообщений — по дискрет­ному.

По изменяемому параметру сигналов различают каналы ра­диосвязи с амплитудной, частотной, фазовой модуляцией, а в импульсных системах — с амплитудно-импульсной, частотно-им­пульсной модуляцией и т. п.

Согласно международным рекомендациям для определения видов сигналов в зависимости от изменяемого параметра введе­ны следующие обозначения: А1 — сигнал амплитудной манипуля­ции незатухающими колебаниями; А2 — сигнал амплитудной манипуляции тонально-модулированными колебаниями; A3 — сиг­нал телефонии с амплитудной модуляцией; А4 — фототелеграф­ный сигнал с амплитудной манипуляцией; Fl — сигнал частот­ной манипуляции; F3 — сигнал телефонии с частотной модуляци­ей; F6 — сигнал двойной частотной манипуляции; F9 — сигнал относительной фазовой манипуляции и т. д. [19].

По диапазону используемых частот все каналы радиосвязи можно подразделить в соответствии с декадной градацией, при­веденной в таблице 7.1.

По использованию особенностей среды распространения ра­диоволн каналы можно подразделять на тропосферные, ионо­сферные, метеорные, космические, оптические, подземные и дру­гие.

По порядку обмена информацией каналы радиосвязи могут быть симплексные, дуплексные и полудуплексные.

По параметрам канала различают каналы радиосвязи с пос­тоянными и переменными параметрами. К первому типу каналов относятся, например, каналы УКВ прямой видимости, а ко вто­рому — каналы радиосвязи, в которых используется принцип рассеяния радиоволн в неоднородностях тропосферы или ионо­сферы.                                       

Приведенная классификация не является законченной. Мож­но ввести классификацию каналов радиосвязи и по другим при­знакам. Действительно, каналы радиосвязи могут быть однока­нальными и многоканальными, стационарными и нестационар­ными, автоматическими и неавтоматическими и т. п. Один и тот же канал радиосвязи, как правило, обладает одновременно ря­дом классификационных признаков, т. е. он может быть, например, дискретным, дуплексным, коротковолновым и т.д.

Таким образом, выбор признака, по которому производится та или иная классификация, зависит от того, под каким углом зрения ведется оценка различных каналов радиосвязи.

Приведенная классификация каналов радиосвязи в определен­ной мере распространяется и на классификацию систем радио­связи.

 

7. 5. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛОВ РАДИОСВЯЗИ

В реальных каналах связи сигналы при передаче искажаются, что приводит к воспроизведению сообщения на приемном конце с некоторой ошибкой. В общем случае это приводит к пониже­нию достоверности и скорости передачи. Причиной этому явля­ются искажения, вносимые самим каналом, случайные помехи, воздействующие на сигнал в линии связи, а также случайные из­менения параметров самого радиоканала.

Искажения, вносимые каналом, могут быть линейными и не­линейными. Они устраняются путем соответствующей коррекции характеристик канала радиосвязи.

В отличие от искажений помехи носят случайный характер. Они заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью уст­ранены.

Помехи в канале радиосвязи подразделяются на внутренние и внешние. Источником внутренних помех является тепловое хао­тическое движение электронов в лампах, полупроводниковых приборах, электрических цепях и т. д.

К внешним помехам относятся атмосферные, станционные, ин­дустриальные и космические помехи. В радиоканалах наиболее распространенными являются атмосферные помехи. Энергия этих помех в основном сосредоточена в области средних н длинных волн Станционные помехи обусловлены нарушениями распреде­ления рабочих частот, плохой фильтрацией гармоник сигнала, нелинейными процессами в аппаратуре, ведущими к перекрест­ным искажениям и т. д. Индустриальные помехи создаются ли­ниями электропередач, генераторами, системами зажигания дви­гателей и др. Космические помехи создаются электромагнитными процессами, происходящими в Галактике, на Солнце и в других внеземных объектах. Эти помехи особенно сказываются в диапа­зоне УКВ до нескольких гигагерц, после чего их интенсивность резко убывает.

Огромное разнообразие источников приводит к тому, что структура и вероятностные характеристики помех существенно отличаются. Тем не менее по характеру спектра все помехи в каналах связи можно разделить на флуктуационные, сосредото­ченные и импульсные.

Флуктуационная помеха является случайным гауссовым про­цессом, обладающим практически равномерным энергетическим спектром. Эта помеха имеет место во всех реальных каналах связи. Примером флуктуационной помехи являются внутренние шумы приемника, космические шумы и некоторые виды атмос­ферных и индустриальных помех. Ширина спектра флуктуационных помех на входе приемника намного больше спектра переда­ваемого сигнала.

Сосредоточенная помеха имеет энергетический спектр более узкий или такой же, как у сигнала. Она может создаваться пос­торонними радиостанциями и другими промышленными объектами. Как правило, сосредоточенные помехи представляют со­бой модулированные колебания. Этот вид помех особенно сильно проявляется в коротковолновых каналах радиосвязи.

Импульсная помеха представляет собой случайные или регу­лярные последовательности импульсов большой скважности. Дли­тельность таких импульсов меньше длительности элементарного сигнала. Переходные явления от воздействия импульсов в прием­нике обычно успевают затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К импульсным помехам относятся многие виды ат­мосферных и индустриальных помех. В зависимости от частоты следования импульсов они могут воздействовать на приемник с широкой полосой как импульсная помеха, а на приемник с уз­кой полосой — как флуктуационная помеха.

Еще одним видом помех является флуктуация параметров радиоканала. Случайные изменения его параметров приводят к непостоянству коэффициента передачи и времени прохождения сигналов по каналу связи, а также к явлению многолучевого рас­пространения радиоволн.

Все перечисленные выше возмущения являются неотъемле­мой частью канала радиосвязи и обязательно проявляются в ви­де помехи в той или иной мере при передаче сигналов.

Независимо от вида возмущений в канале радиосвязи его воздействие на сигнал можно представить в виде оператора

 

                                         (u, п).                                 (7.8)

 

Если возмущение, действующее в канале радиосвязи, склады­вается с сигналом, то это аддитивная помеха. К аддитивным по­мехам относятся тепловые шумы, атмосферные, космические, промышленные и станционные помехи.

Аддитивная помеха воздействует на вход приемника незави­симо от сигнала и проявляется также при отсутствии сигнала. В этом случае оператор  преобразуется в сумму

 

                                           п .                                       (7.9)

 

Аддитивную помеху в инженерной практике часто называют шумом.

Если же возмущение непосредственно связано с прохождением сигнала в канале радиосвязи, то оно называется мультипликативной помехой. Эта помеха перемножается с сигналом ипри его отсутствии никак не проявляется на входе приемника. При этом оператор  преобразуется в произведение

 

                                        ,                                           (7.10)

 

где а — коэффициент передачи канала радиосвязи, изменяющийся случайным образом во времени.

Мультипликативные помехи возникают в результате многолу­чевого распространения радиоволн, их интерференции в точке, приема, а также в результате нерегулярных изменений парамет­ров среды распространения радиоволн (высоты и толщины сло­ев тропосферы, электронной концентрации ионосферы и т. п.).

В результате многолучевости распространения радиоволн ам­плитуда и фаза сигнала медленно, по сравнению с собственными колебаниями, изменяется. Это изменение можно представить как процесс модуляции в виде произведения модулируемой и модули­рующей функций.

Мультипликативная помеха может быть также результатом проявления нелинейных свойств отдельных элементов канала ра­диосвязи, в которых одновременно действуют сигнал и помеха.

В каналах радиосвязи имеют место как аддитивные, так и мультипликативные помехи. Поэтому сигнал в канале радиосвя­зи может быть представлен в виде

 

                                           п_i(t),           (7.11)

 

где — коэффициент передачи канала радиосвязи;

   A (t) — передаваемый сигнал;

   — время запаздывания сигнала i-го луча;

         п_i (t) — аддитивная помеха;

  k — число лучей.

Канал связи, параметры а и  которого неизменны во вре­мени, называется каналом с постоянными параметрами. Таких каналов крайне мало. К ним относятся проводные каналы связи и каналы радиосвязи УКВ прямой видимости.

Во всех же других каналах радиосвязи параметры а и  не­прерывно меняются случайным образом. Такие каналы радиосвя­зи называются каналами с переменными параметрами.

Случайные изменения параметров а и  приводят к непре­рывному изменению уровня принимаемого сигнала. Эти явления называются замираниями (федингами). Замирания обусловлены интерференцией в точке приема многих лучей, прошедших раз­личные пути в результате многократного отражения радиоволн от различных слоев атмосферы.

Нерегулярный характер изменения высоты и толщины иони­зированных слоев, а также их электронной концентрации приводит к случайным изменениям амплитуд и фаз отдельных лучей на входе приемника. В итоге результирующий сигнал подвержен замираниям по случайному закону.

Кроме интерференционных замираний наблюдаются поляри­зационные замирания, обусловленные вращением плоскости поля­ризации волны под действием магнитного поля Земли.

В зависимости от ширины спектра сигнала и свойства среды распространения различают гладкие и селективные замирания. В свою очередь замирания могут быть медленными и быстрыми

При передаче сигнала с шириной спектра до 1000 Гц имеют место гладкие замирания, при которых соотношения между ам­плитудами и фазами спектральных составляющих сигнала в пределах его длительности сохраняются постоянными

У сигналов с более широким спектром наблюдаются селектив­ные (избирательные) замирания, для которых характерна час­тотная зависимость флуктуаций амплитуд и фаз отдельных сос­тавляющих спектра сигнала, обусловленная тем, что параметры ионосферы зависят от частоты. Селективные замирания обычно возникают тогда, когда к приемному устройству приходят лучи, отразившиеся от различных слоев ионосферы или объемов тро­посферы, а также претерпевшие многократные отражения. При этом каждый пришедший луч, как правило, представляет собой пучок элементарных лучей, подверженных гладким замираниям.

Когда взаимное запаздывание приходящих лучей соизмеримо с длительностью элемента сигнала, явление многолучевого рас­пространения вызывает не только замирание сигнала, но и на­ложение соседних элементов сигнала друг на друга. Это явле­ние называется радиоэхо, а запаздывающий луч — эхо-сигналом.

Экспериментально установлено, что изменения коэффициента поглощения среды при разносе частот более 500 Гц коррелированны слабо. Следовательно, амплитуды и фазы достаточно удален­ных по частоте спектральных составляющих сигнала при селек­тивных замираниях изменяются независимо друг от друга. Этот факт позволяет вести эффективную борьбу с замираниями при передаче информации широкополосными шумоподобными сигна­лами.

Медленные изменения параметра , приводящие к мед­ленным замираниям, вызываются суточными и сезонными изме­нениями состояния тропосферы и ионосферы. Медленные флукту­ации сигналов сильно коррелированны по частоте и в пространстве, а поэтому наблюдаются практически во всем диапазоне частот и в точках приема, разнесенных на расстояние сотен длин волн.

Быстрые замирания обусловлены главным образом многолу­чевым распространением радиоволн. Амплитуды и фазы одно­именных составляющих смежных во времени сигналов коррелированны между собой по частоте и в пространстве слабо, что позволяет, как будет показано далее, применять для борьбы с быст­рыми замираниями пространственно и частотно разнесенный прием, дублирование, накопление сигналов и пр.

Типичными представителями каналов с переменными пара­метрами являются коротковолновые каналы радиосвязи, а также УКВ каналы тропосферной, ионосферной и метеорной радиосвязи.

Глубина замираний сигналов в каналах с переменными па­раметрами достигает 30 дБ и более при частоте повторения от 10 до 0,1 Гц, причем частота замираний в УКВ диапазоне выше, чем в коротковолновом. Законы распределения амплитуд и фаз принимаемых сигналов зависят от времени года и суток, типа и протяженности линии связи, условий работы и интервала наблю­дений и т. п. Многочисленные опыты показали, что при интер­валах наблюдения до 10 минут закон распределения огибающей совпадает с релеевским:

                                           ,                              (7.12)

где U — огибающая амплитуды сигнала;

    — дисперсия сигнала.

С увеличением интервала наблюдения распределение огиба­ющей амплитуды сигнала подчиняется логарифмическому нор­мальному закону, а при наличии в сигнале регулярной составля­ющей — обобщенному закону Релея [2]. Если регулярная сос­тавляющая сигнала в 2-3 раза и более превышает по мощности флуктуирующую составляющую, что характерно для слабых за­мираний, обобщенный закон Релея переходит в нормальный

 

                                          .                          (7.13)

Поэтому слабые замирания иногда называются гауссовыми.

Флуктуации фазы сигнала чаще всего описываются нормаль­ным законом распределения с дисперсией около 0,1 рад.

Условием обеспечения высокой пропускной способности кана­ла с переменными параметрами является превышение полосы пропускания канала F_K над суммарной шириной спектра муль­типликативных и временных составляющих помех всех k лучей

 

Fa _i + F _i),                                    (7.14)

 

где Fa _i— наибольшая частота флуктуации коэффициента пе­редачи;

F _i — наибольшая частота флуктуации фазы в i-м луче.

Это объясняется, в отличие от действия аддитивных помех, сильными корреляционными связями мультипликативных и вре­менных составляющих помех в спектре принимаемого сигнала.

Если не принимать специальных мер, то замирания сигналов, вызываемые случайными изменениями параметров канала, сни­жают устойчивость связи, помехоустойчивость и пропускную спо­собность канала.

 

 

7.6 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЯВЛЯЕМЫЕ

К СИСТЕМАМ РАДИОСВЯЗИ И КРИТЕРИИ ИХ ОЦЕНКИ

 

При оценке работы систем связи прежде всего предъявляют требования к достоверности и скорости передачи сообщений. Если достоверность определяет качество передачи, то скорость — ко­личество передаваемой информации в единицу времени.

Достоверность передачи в реальных системах радиосвязи оп­ределяется степенью искажения сигнала, т. е. тем, насколько принятый сигнал соответствует переданному. Достоверность зави­сят от показателей самой системы связи, условий работы, опре­деляемых видом и интенсивностью помех, соблюдения правил радиообмена и эксплуатации аппаратуры.

В технически грамотно спроектированной и правильно экс­плуатируемой системе 'радиосвязи искажения сигналов обуслов­лены только действием помех. Достоверность передачи сообще­ний в этом случае полностью определяется помехоустойчивостью системы радиосвязи.

Помехоустойчивость характеризует способность системы ра­диосвязи противостоять вредному действию помех при передаче сообщений. Помехоустойчивость зависит от способа кодирования и модуляции сигнала, метода приема и регистрации сигнала, от­ношения сигнал/помеха и т. п. Это основная проблема техники связи. С внедрением автоматизированных систем радиосвязи тре­бования к 'помехоустойчивости возрастают.

Для количественной оценки помехоустойчивости радиосвязи используют вероятностный, энергетический и артикуляционный критерии.

Вероятностным критерием в основном пользуются при передаче дискретных сигналов. Он характеризуется зависимостью

,                                 (7.15)

где  — вероятность ошибки при приеме элементарного символа.

Зависимость (7.15) различна для различных видов сигналов и помех. Она определяется также способами кодирования, моду­ляции, передачи, приема и обработки сигналов. Чем меньше ве­личина вероятности ошибки, тем выше достоверность передачи.

Требуемое значение  определяется .назначением системы ра­диосвязи. Так для УКВ каналов прямой видимости  долж­но быть не хуже (допускается один искаженный сим­вол на 1000 - 10000 переданных символов). Для KB каналов связи допускаются значения = .Для сравнения отметим, что величина  в кабельных и волноводных каналах составляет .

Для повышения помехоустойчивости в технике связи могут применяться специальные коды, исправляющие ошибки.

При передаче непрерывных сигналов, как правило, пользуют­ся энергетическим критерием помехоустойчивости.

Помехоустойчивость системы связи в этом случае оценивается относительным увеличением отношения сигнала к помехе на вы­ходе приемника по сравнению со значением этого отношения на входе:

                               (7.16)

При сравнении различных систем радиосвязи с помощью это­го критерия необходимо брать отношение мощности сигнала не к мощностям помехи, а к их средним спектральным плотностям. Энергетическим критерием можно оценивать также и помехоустой­чивость дискретных систем радиосвязи.

Оценку качества телефонных каналов более удобно произво­дить с помощью артикуляционного критерия, который характе­ризует разборчивость речи Д определяемую в процентах как от­ношение правильно принятых звуков (слогов, слов) к общему числу переданных.

Все рассмотренные критерии связаны между собой. Чем мень­ше величина отношения сигнала к помехе на выходе радиопри­емника, тем ниже разборчивость [8].

Так, для артикуляционного критерия справедливо выражение

                                                                      (7.17)

Совершенно очевидно, что та из систем радиосвязи будет бо­лее помехоустойчивой, у которой при меньшем уровне сигнала на входе приемника обеспечивается заданное значение отношения сигнала к помехе на его выходе.

Более подробно критерии оценки помехоустойчивости приведе­ны в главе  10.

Эффективность системы радиосвязи может быть оценена ко­эффициентом использования канала

                                             ,                                          (7.18)

где  — скорость передачи;

С — пропускная способность канала.

На практике удобными оценками эффективности систем свя­зи являются коэффициент использования мощности сигнала  и коэффициент использования полосы частот канала . Эти ко­эффициенты описываются соответственно выражениями

    ,             (7.19)

где N₀ — спектральная плотность помехи;

        F_K — полоса канала.

Из (7.19) видно, что улучшения использования мощности сигналов можно достичь ценой ухудшения использования полосы частот канала и наоборот.

Дальность связи характеризуется максимальным расстоянием передачи информации при заданной достоверности. Дальность связи зависит от мощности передатчика, чувствительности прием­ника, типа и состояния линии связи, способа приема и передачи сигналов, направленности антенн, способов кодирования и т. д.

Скрытность связи представляет собой способность системы ра­ботать в режиме, который затрудняет эффективное обнаружение передаваемых сигналов и определение их основных параметров специальной аппаратурой.

Скрытность и помехоустойчивость совместно характеризует помехозащищенность системы радиосвязи от организованных по­мех, что особенно важно для военных систем связи.

Различают энергетическую, временную, частотную и органи­зационную скрытность.

Энергетическая скрытность выражается коэффициентом

                         ,                                        (7.20)

где — чувствительность измерительного приемника;

                   — фактическая мощность сигнала на входе приемни­ка.

Канал радиосвязи энергетически скрытный, если >1. Энер­гетическая скрытность достигается снижением мощности передат­чика и применением широкополосных сигналов.

Величина  существенно зависит от направленности антенн передатчика, рабочего и измерительного приемника, от расстоя­ния между рабочим и измерительным приемниками, от соотно­шения полос пропускания рабочего и измерительного приемников.

Временная скрытность канала радиосвязи определяется соот­ношением времени, необходимого для определения параметров сигнала , к времени его передачи

                                                 .                               (7.21)

Канал радиосвязи обладает временной скрытностью, если >1. Временная скрытность повышается при прерывистых режи­мах передачи, при увеличении мгновенной скорости передачи, при сокращении времени передачи и увеличении интервалов между сеансами связи и др.

Частотная скрытность достигается маневром рабочими часто­тами, отведенными для данного канала радиосвязи. Для этого ра­диопередатчик должен иметь устройство перестройки и регули­ровки мощности.

Организационная скрытность представляет собой комплекс мероприятий по радиомаскировке и соблюдению правил радио­обмена.

Скорость передачи информации определяется количеством ин­формации, передаваемым в единицу времени с заданной вероят­ностью ошибки, и выражается в двоичных единицах в секунду (бит/сек)

 

                                                                             (7.22)

где  — длительность элементарной посылки;

     m — основание кода.

Пропускная способность системы радиосвязи есть максималь­ная скорость передачи информации, которая может быть достиг­нута при условии, что канал радиосвязи не вносит искажений и ошибок. Пропускная способность системы радиосвязи является техническим понятием, которое характеризует используемые тех­нические средства.

В отличие от пропускной способности системы радиосвязи су­ществует пропускная способность канала радиосвязи, которая оп­ределяет потенциальные возможности системы радиосвязи, ис­пользующей канал при условии, что на сложность аппаратуры и на время задержки переданных сообщений не накладывается никаких ограничений.

Пропускная способность канала радиосвязи характеризует предельное значение скорости передачи 'при сколь угодно малой вероятности ошибки. Она в общем случае зависит от полосы пропускания канала F_K, превышения сигнала над помехой , типа

помех и характера замираний. Пропускная способность канала, измеряемая двоичными единицами в секунду (бит/сек), определяется фор­мулой Шеннона (1.42)                                    

В реальных системах скорость передачи всегда меньше про­пускной способности канала ( < С).

Емкость канала радиосвязи позволяет судить о возможности передачи данного объема информации по данному каналу за вре­мя Т со сколь угодно малой вероятностью ошибки

.                                 (7.23)

Для определения резерва пропускной способности канала ра­диосвязи вводят коэффициент

 .                             (7.24)

Эксплуатационная надежность характеризуется способностью системы радиосвязи работать длительное время без отказов и быстро восстанавливаются при их появлении в процессе эксплуа­тации. Она может оцениваться вероятностью безотказной работы в течение времени T  при данных условиях эксплуатации

 

                            (7.25)

где — интенсивность отказов деталей k-го типа;

              — число деталей k-го типа в аппаратуре;

           — число типов деталей.

Экономичность связи характеризует стоимость системы радиосвязи. Уменьшение затрат можно осуществить за счет стандар­тизации оборудования, многоцелевого использования аппаратуры и т. п.

Кроме приведенных выше информационно-технических пока­зателей системы радиосвязи имеют ряд конструктивно-эксплуата­ционных показателей таких, как объем и вес аппаратуры, энерге­тический КПД и др.

 

 

   КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем отличаются аналоговые и дискретные радиосигналы?

2. Назовите обобщённые параметры сигнала и канала радиосвязи.

3. Дайте определение канала, линии и системы радиосвязи.

4. Приведите обобщенную схему  системы радиосвязи.

5. Поясните назначение отдельных элементов радиосистемы.

6. Назовите основные особенности радиоканала.

7. По каким признакам классифицируются радиоканалы?

8. Что такое многоканальная система радиосвязи?

9. Какими статистическими характеристиками описывается канал радиосвязи?

10. Назовите основные критерии оценки систем радиосвязи.

 

Глава 8.

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 796; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!