Прием сигналов в условиях фединга

Величина ошибки приема цифровой информации определяется в основном шумами и федингом. В предыдущей главе рассматривался прием цифровых сигналов в условиях белого гауссовского шума, величина спектральной плотности мощности которого характеризовала все возможные искажения принимаемого сигнала: собственные тепловые шумы приемника, фоновый шум эфира, искажения за счет фединга и многолучевого распространения и т.п. Это приближение вполне оправдано для анализа влияния шумов приемника или эфира, но плохо определяет свойства канала с федингом. Влияние быстрых и медленных флуктуаций в радиоканале вследствие многолучевого распространения имеет совершенно иной характер влияния на достоверность приема информации, чем шум с постоянной спектральной плотностью мощности. Вследствие этого в приемниках мобильной связи реализуется целый ряд специальных мер, которые позволяют улучшить параметры приемника на основе реальной статистики распределения случайных параметров принимаемого сигнала. Существуют три основные процедуры, повышающие достоверность приема данных в радиоканалах с федингом: разнесенный прием, эквалайзер и интерливинг.

Разнесенный прием применяется в основном для борьбы с федингом в широкополосных радиоканалах. Широкополосный (плоский) радиоканал, в котором когерентная полоса пропускания больше полосы частот модулированного сигнала, характеризуется наличием быстрого и глубокого фединга. Глубокие и быстрые замирания передаваемого сигнала (до 20 дБ) в плоском

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

канале распространения, вызванные взаимовлиянием нескольких копий принимаемого сигнала на входе приемника, сильно затрудняют прием и часто приводят к потере связи. Разнесенный (параллельный) прием заключается в использовании двух и более независимых каналов приема, каждый из которых включает в себя собственную антенну и собственный приемник. Замирание сигнала, которое является следствием противофазного сложения амплитуд копий сигнала, одновременно во всех пространственно разнесенных антеннах маловероятно, так что всегда можно выбрать один из каналов с наибольшей величиной принимаемого сигнала или объединить принимаемые сигналы.

Эквалайзер выполняет функцию выравнивания частотной характеристики радиоканала в узкополосных радиоканалах. При распространении модулированных колебаний в узкополосном радиоканале, когда когерентная полоса радиоканала меньше, чем полоса частот модулированного сигнала, имеет место межсимвольная интерференция. Узкополосный канал является частотно-селективным по отношению к информационному сигналу, коэффициент передачи канала не постоянный в полосе частот сигнала; искажение спектра сигнала приводит к соответствующему искажению его временной формы, т.е. межсимвольной интерференции. Функционально эквалайзер является адаптивным фильтром, который выравнивает сквозную передаточную характеристику передатчик-приемник с учетом неравномерности частотной характеристики канала распространения.

Интерливинг (перестановка) применяется для компенсации искажений сигнала при очень глубоких кратковременных замираниях в радиоканале. Операция

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

интерливинга заключается в равномерном распределении битов, кодирующих передаваемый символ, по относительно длительному временному интервалу. В результате при коротком временном замирании в радиоканале будут утеряны не все биты, кодирующее передаваемый символ, а только часть бит, кодирующих разные символы. При обратной операции (деинтерливинг) передаваемый символ будет восстановлен по неискаженным битам, которые передавались вне временного интервала замирания.

8.1.Разнесенный прием в широкополосных каналах

Вгородских условиях распространения радиоволн в результате многочисленных переотражений радиоволн от зданий, земли, автомобилей и т.п. возникает сложная нестационарная интерференционная картина электромагнитного поля. Минимумы и максимумы интерференционного поля располагаются на расстоянии порядка четверти длины волны, что реально составляет несколько десятков сантиметров. Интерференционная картина электромагнитного поля является нестационарной вследствие изменения расстояния между передатчиком и приемником (движение абонента), а также перемещения препятствий на пути распространения радиоволн (движение транспорта). С точки зрения приема сигнала интерференционное распределение электромагнитного поля означает одновременный прием нескольких копий одного и того же сигнала. При этом время задержки прихода копий сигнала, их амплитуда и фаза являются переменными во времени случайными величинами, зависящими от мгновенного состояния радиоканала. Результатом сложения нескольких сигналов переменной амплитуды и фазы

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

является быстрое и глубокое изменение суммарной амплитуды принимаемого сигнала (фединг).

Разнесенный (параллельный) прием является эффективной методикой повышения достоверности приема информации в условиях многолучевого радиоканала. Принцип разнесенного (параллельного) приема основан на том, что совокупность каналов распространения радиоволн от передатчика к приемнику является статистически независимой, т.е. вероятность уменьшения амплитуды сигнала вследствие фединга одновременно в нескольких точках пространства очень мала. Следовательно, осуществляя одновременный параллельный прием сигналов с помощью нескольких антенн, находящихся в различных точках пространства, всегда можно выбрать канал с максимальным уровнем принимаемого сигнала. Использование на базовой радиостанции двух и более пространственно разнесенных приемных антенн также позволяет уменьшить количество теневых зон, которые обязательно существуют в городских условиях за большими зданиями или внутри плотной застройки.

8.1.1. Статистика принимаемых сигналов

Рассмотрим статистические характеристики сигнала, распространяющегося в широкополосном многолучевом канале. Предполагается, что канал частотно-неселективный, стационарный, с белым гауссовским шумом. Отсутствие частотной селекции в радиоканале (плоский фединг) означает, что когерентная полоса пропускания канала больше, чем полоса частот модулирующего сигнала; все копии передаваемого сигнала распространяются независимо друг от друга; при распространении сигнала не происходит

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

искажения его частотной характеристики, а следовательно, и временной формы комплексной огибающей модулированного сигнала. Стационарность радиоканала (медленный фединг) означает, что характеристики радиоканала изменяются относительно медленно; во всяком случае, на протяжении передачи одного информационного символа все параметры радиоканала остаются постоянными. Белый гауссовский шум означает, что шумы радиоканала представляются шумом с постоянной спектральной плотностью и нулевым средним значением. При этих условиях принимаемый сигнал в каждом луче (каждой копии сигнала) может быть представлен в следующем виде (6.10):

Комплексная огибающая радиоканала в общем случае приема N копий сигнала записывается в следующем виде

(6.12):

изменение амплитуды k-й копии высокочастотного сигнала вследствие изменения со временем потерь распространения в канале. Фаза комплексной огибающей φk (t) определяется

временем распространения k-й копии сигнала от передатчика к приемнику.

Уравнение (8.1) с учетом (8.2) можно представить в квадратурном виде:

где

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

N

X (t) = åak (t - tk )cos[fk (t - tk )];

k =1

N

Y (t) = åbk (t - tk )sin[fk (t - tk )].

k =1

Свойства квадратурных компонент принимаемого сигнала определяются свойствами канала распространения.

В простейшем случае однолучевого канала с постоянными параметрами распространения принимается только один сигнал с постоянной амплитудой и фиксированной временной задержкой:

ak (t), bk = 0, k ¹1; a1 , b1 =const;

f1 = const.

Такой сигнал может иметь место при связи между двумя ретрансляторами, расположенными на высоких городских зданиях. Отраженные от поверхности земли и зданий сигналы пренебрежительно малы, так что копии сигнала практически не влияют на уровень сигнала, приходящего по кратчайшему. Фиксированное расстояние между приемопередатчиками приводит и к фиксированному времени распространения принимаемого сигнала. Изменение потерь или времени распространения в радиоканале может быть обусловлено только изменениями погодных условий, что в любом случае позволяет считать параметры принимаемого сигнала в течение времени передачи сообщения постоянными.

Другой крайний случай соответствует радиосвязи между мобильными абонентами при отсутствии прямой видимости между ними. Такой тип радиоканала характерен для сотовой радиосвязи. Малые высоты подъема антенн базовых и абонентских радиостанций, работа абонентов в

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

закрытых помещениях, сильное экранирующее влияние движущегося транспорта приводят к тому, что все копии передаваемого сигнала, приходящие на приемник, можно считать равноценными. При этом амплитуды, фазы, время задержки копий постоянно и быстро изменяются во времени вследствие движения абонентов или перемещения препятствий между ними. Предполагается, что квадратурные компоненты X (t),Y (t) принимаемого сигнала

являются случайными величинами, плотность распределения амплитуды которых определяется нормальным (гауссовским) законом распределения. Предполагается также, что значения фазы fk (t)

квадратурных компонент имеет равномерное распределение (все значения фазы равновероятны). В результате вероятностное распределение величины квадратурных компонент принимаемого сигнала описывается гауссовским распределением с нулевым средним значением:

принимаемого сигнала r(t) определяется как совместная

плотность вероятности двух случайных величин (8.4) с нормальным (гауссовским) законом распределения и подчиняется закону Рэлея:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Для транкинговой сети связи характерен радиоканал, в котором в точке приема существует преобладающая, наиболее мощная копия сигнала с относительно постоянными параметрами распространения ak cos(fk ) ,

bk sin(fk ) и некоторое количество маломощных мешающих

копий, параметры которых случайно изменяются во времени. В этом случае возможные значения квадратурных компонент (8.4) распределены по нормальному (гауссовскому) закону с ненулевым средним, соответствующим амплитуде выделенной копии принимаемого сигнала:

Плотность распределения вероятности суммарного сигнала r(t) описывается обобщенным законом Рэлея (законом

Райса). Если дисперсия s2 нормального закона распределения квадратурных компонент (8.6) мала (амплитуда основной копии сигнала существенно превышает амплитуды прочих копий), то формула обобщенного закона Рэлея переходит в нормальный закон распределения:

где r0 - среднее (ожидаемое) значение принимаемого сигнала

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com