книги / Оптимальные методы передачи сигналов по линиям радиосвязи

ВВЕДЕНИЕ

i ) последние годы в отечественной и зарубежной технической литературе было опубликовано много теоретических работ, посвя­ щённых проблеме построения оптимальных схем приёма сигналов на фоне шумов. Эти работы относятся, главным образом, к обнару­ жению импульсных радиолокационных сигналов и в гораздо мень­ шей степени характеризуют возможность приёма информации, пе­ редаваемой по каналам связи. Кроме того, рекомендуемые в этих работах схемы «идеальных» и «оптимальных» приёмных устройств оказываются в некоторых случаях столь громоздкими, а процесс выделения слабого сигнала требует затраты такого большого вре­ мени, что их реализация делается практически невозможной. Это скорее теоретические рассуждения о путях построения схем «иде­ ального приёмного устройства», чем инженерные рекомендации о практических способах увеличения количества передаваемой по ли­ ниям радиосвязи информации.

Сказанное выше ни в какой мере не умаляет значения чисто теоретических работ в этой области. Необходимость глубокого рас­ смотрения теории построения схем идеальных приёмных устройств вполне очевидна, ибо если не теперь, то в самом недалёком буду­ щем будут несомненно найдены способы, позволяющие реализовать теоретические схемы.

Задача настоящей книги гораздо более простая. Её можно сфор­ мулировать следующим образом.

В современной технике связи для передачи информации исполь­ зуют земные, тропосферные и ионосферные радиоволны. Во всех случаях радиоволны распространяются в атмосфере, которая окру­ жает поверхность Земли и оказывает двоякое влияние на процесс распространения. Во-первых, вызывает ослабление энергии волны, достигающей пункта приёма, по сравнению с распространением (при той же длине трассы) в свободном пространстве. Во-вторых, в процессе распространения могут возникнуть-специфические, свя­ занные с особенностями распространения, искажения передавае­ мых сигналов.

Ослабление сигнала может быть вызвано: 1) необратимыми по­ терями энергии волны (например, потери из-за токов, наводимых в полупроводящей поверхности Земли, потери при прохождении сквозь ионизованные слои атмосферы, потери в дожде, тумане, при молекулярном поглощении, в водяных парах, в кислороде воз­ духа и т. д.); 2) потерями энергии вследствие рассеяния (на неодно­

— 4 —

родностях тропосферы и ионосферы и т. д.) и 3) ослаблением сиг­ нала в тех случаях, когда для приёма используются дифрагирован­ ная, отражённая или рассеянная компонента распространяющейся волны, т. е. когда основной поток энергии распространяется в пря­ мом направлении и когда для приёма используются эффект рассея­ ния, дифракции или частичного отражения.

Искажения сигнала могут быть вызваны: 1) флуктуациями ди­ электрической проницаемости среды, в которой распространяются волны; 2) многолучёвостью в процессе распространения и 3) пере­ мещением и изменением положения отражающей или рассеиваю­ щей поверхности или области (перемещением отражающего иони­ зованного слоя, объёма рассеяния тропосферы, ионизованного ме­ теорного следа и т. д. *). Обычно типичные искажения создаются комбинированным действием всех трёх причин. Искажения сигна­ лов проявляются в замираниях, возникновении ближнего и дальне­ го эха, искажениях формы передаваемых сигналов и допплеров­ ском изменении частоты.

При оценке условий работы канала необходимо считаться с тем обстоятельством, что приём сигналов осуществляется на фоне шумов, представляющих собой флуктуациониый процесс. Воздейст­ вуя на принимаемый сигнал, шумы также могут создавать искаже­ ния. В этом отношении следует делать различие между искажения­ ми под действием процессов распространения (их часто называют мультипликативными помехами), которые имеют место даже в от­ сутствие шумового фона, и искажениями, обусловленными дейст­ вием шумов. Последние называют аддитивными помехами. В реаль­

Под влиянием замираний принимаемый сигнал также приобре­ тает флуктуациониый характер. И если даже средняя мощность сигнала заметно превышает среднюю мощность шумов, то в силу вероятностного характера сигнала и шума в течение какого-то от­ резка времени напряжение шумов может оказаться выше напря­ жения сигнала, вследствие чего в эти промежутки правильное вос­ произведение сигнала при обычных методах приёма окажется не­ возможным.

Поэтому в реальных условиях можно говорить только о вероят­ ном значении надёжности работы канала связи. Чем больше отно­ шение мощности сигнала к мощности шумов, тем выше надёжность работы линии связи. Теоретически 100-процентная надёжность мо­ жет быть обеспечена только при бесконечно большой мощности сиг­ нала. Это иллюстрирует рис. В.1, на котором условно показаны графики изменения во времени напряжений сигнала и шумов. Пунк-

!) Здесь не рассматриваются искажения, возникающие вследствие нелиней­ ных процессов в ионосфере, поскольку они проявляются при специфических усло­ виях и только в диапазоне средних волн.

работой приёмной аппаратуры, который не получил должного осве­ щения в технической литературе.

Хорошо известно, что условия приёма сигналов в значительной степени определяются отношением мощности сигнала к мощности шумов на выходе приёмного устройства, т. е. в той части приёмно­ го устройства, где помещён аппарат, непосредственно восприни­ мающий сигналы. Это отношение в дальнейшем для краткости обо­ значается символом с/ш. С другой стороны, при расчёте линий ра­ диосвязи обычно определяется либо мощность сигнала на входе приёмного устройства, либо функция распределения этой мощно­ сти (в тех случаях, когда сигнал подвержен замираниям). Сущест­ венно при этом, что независимо от рода работы и вида модуляции в процессе расчёта, как правило, определяется мощность на входе приёмного устройства в режиме непрерывного излучения. В этих условиях всегда может быть также определена мощность шумов на входе приёмного устройства, а следовательно, и отношение мощно­ сти сигнала при излучении несущей частоты (н) к мощности помех

(п) или в необходимых случаях функция распределения этого от­ ношения. Таким образом, расчёт позволяет определить отношение (н/п) на входе приёмного устройства, тогда как условия приёма сигналов определяются отношением (с/ш) на выходе приёмного устройства. Уточнению подлежит вопрос установления соотношения

работы, вида применённой модуляции и особенностей построения схемы приёмного устройства.

Резюмируя, можно сказать, что задачей данной книги являет­ ся рассмотрение:

1) способов передачи сигналов, обеспечивающих наиболее вы­

ным и телефонным линиям радиосвязи, а также для линий связи, предназначенных для передачи данных.

— 8 —

Г Л А В А 1.

ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛОВ СВЯЗИ

1.1. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ИДЕАЛЬНОГО КАНАЛА СВЯЗИ

Известно, что предельное значение количества информации, которое может быть передано по каналу связи, обладающему поло­ сой пропускания F, определяется формулой Шеннона [1]

где Р с — средняя мощность сигнала, а Р ш — мощность шумов с равномерным частотным спектром (т. е. гауссова или белого шума).

Формула (1.1) показывает, что максимальное количество ин­ формации, которое может быть передано по каналу связи, опреде­ ляется не только полосой пропускания (как это полагали раньше, до возникновения теории информации), но и отношением сигнал/помеха. Путём повышения мощности сигнала (при прочих равных условиях) можно увеличить количество передаваемой инфор­ мации.

Следует заметить, что ф-ла (1.1) не отражает в полной мере дей­ ствительных условий передачи сигналов и поэтому может служить лишь для грубой оценки пропускной способности канала связи. Она не учитывает, по крайней мере, двух особенностей работы реальных линий связи. Во-первых, процесс передачи сигналов по коротковол­ новым линиям связи, а также по линиям связи, использующим эффект тропосферного рассеяния, сопровождается явлением зами­ раний, т. е. мощность Рс уже не является постоянной величиной и характеризуется некоторой функцией распределения. Это обстоя­ тельство несомненно повлияет на количество передаваемой инфор­ мации. Во-вторых, что не менее важно, в реальных условиях мощ­ ность помех определяется не только белым, гауссовым шумом, но и помехами импульсного типа, уровень которых также меняется во времени в соответствии с некоторым законом распределения.

Поскольку в общем виде задать вероятностные законы измене­ ния Рс и Р ш не представляется возможным, ограничимся в этой главе только весьма приближённой трактовкой вопроса, предпола-

— 9 —