6.8. Прием дискретных сообщении в каналах с сосредоточенными и импульсными помехами

Выше помехоустойчивость дискретных систем связи определялась с учетом неизбежного аддитивного флуктуационного гауссовского шума. Однако на практике приходится учитывать и действие в канале иных аддитивных помех, порождаемых внешними источниками и, прежде всего, относящихся к классу сосредоточенных по спектру ("гармонических") и импульсных.

Заметим, что если на вход приемного устройства поступает большое число слабо коррелированных помех от различных источников сравнимой мощности, то их сумма, согласно центральной предельной теореме, представляет процесс, близкий к гауссовскому. Прибавляясь к флуктуационному шуму аппаратуры, он может существенно увеличить спектральную плотность гауссовской помехи, что потребует соответствующего увеличения мощности сигнала. Однако нередко среди множества маломощных помех на вход приемника поступают отдельные мощные импульсы или сосредоточенные помехи. В таком канале, если не принимать специальных мер, прием дискретных сообщений сопровождается дополнительными ошибками и связь может быть полностью нарушена.

Все мероприятия по защите от внешних помех можно разбить на три группы. К первой относят те, которые направлены на подавление помех в месте их возникновения, в частности, экранирование источников промышленных помех, применение искрогасящих конденсаторов, снижение уровня побочных излучений радиопередатчиков и т. п. Эти мероприятия регулируются специальными законоположениями и стандартами. Вторая группа - это мероприятия, цель которых воспрепятствовать проникновению помех на вход демодулятора. Для этого в системах проводной связи скрещивают провода воздушных линий, совершенствуют конструкцию кабелей для уменьшения взаимных влияний между жилами и улучшают экранирование от внешних влияний и т. д. В радиосвязи для этого устанавливается рациональное распределение частот между отдельными службами и каналами, с учетом размещения передатчиков и приемников и условий распространения радиоволн. При выполнении мероприятий первых двух групп важную роль играют международные органы, вырабатывающие допустимые нормы и контролирующие их соблюдение - международные консультативные комитеты по телеграфии и телефонии (МККТТ) и по радиосвязи (МККР).

Третья группа мероприятий (непосредственно относится к данному курсу) охватывает выбор ансамбля сигналов и построение приемного устройства с целью предупредить попадание внешних помех непосредственно в решающее устройство (демодулятор) и минимизировать вероятность вызванных ими ошибок, если они все же проникнут в него. Вопросы, связанные с взаимным влиянием различных систем передачи сообщений (связи) друг на друга, за последние годы интенсивно изучаются теорией электромагнитной совместимости (ЭМС).

Сосредоточенные помехи наблюдаются почти исключительно в радиоканалах. Защита демодулятора от их попадания осуществляется обычно линейными цепями специальных блоков (входные избирательные цепи, преобразователи частоты, резонансные и полосовые усилители и т. п.) различных приемных устройств. Способность ослабить сосредоточенную помеху на входе решающей схемы приемника определяет его избирательность. Частотная избирательность обеспечивается тем, что до подачи сигнала на вход демодулятора он фильтруется в упомянутых выше линейных цепях, полоса пропускания которых достаточна для того, чтобы сигнал прошел без существенных искажений, а сосредоточенные помехи, лежащие вне полосы пропускания, при этом подавляются. Помимо частотной избирательности широко используют также пространственную избирательность, основанную на применении узконаправленных приемных антенн. Важно отметить, что воздействие сосредоточенных помех возрастает при увеличении нелинейности входных каскадов приемника, поскольку возникающие при этом комбинационные частоты (даже если помеха на входе приемника непосредственно и не попала в полосу пропускания) могут оказаться в полезной области частот. Вопросы защиты радиоприемника от сосредоточенных помех составляют основное содержание курса радиоприемных устройств.

Очевидно, что для уменьшения вероятности "опадания сосредоточенной помехи в полосу частот спектра сигнала желательно использовать как можно более узкополосные сигналы. Именно поэтому в течение многих десятилетий для передачи дискретных сообщений по радио применялись только простые узкополосные сигналы (AM, ЧМ, ОФМ), элементы которых являются отрезками синусоиды. Однако за последние 30-35 лет появилась тенденция к существенному расширению спектра сигнала усложнением его формы либо просто сокращением длительности посылки. Как можно показать (ом., например [8, 18]), шумоподобные сигналы позволяют успешно передавать сообщения в многолучевых каналах. Но, как это ни парадоксально, применение шумоподобных сигналов оказалось полезным и для защиты от узкополосных сосредоточенных помех. Дело в том, что если спектр узкополосного сигнала перекрывается мощной сосредоточенной помехой, то практически не удается избежать возникновения ошибок. Если же такая помеха окажется в полосе широкополосного сигнала, то, в принципе, существует возможность "вырезать" ее режекторным фильтром (или другими способами) и по оставшейся части спектра широкополосного сигнала восстановить переданную информацию. Поэтому, хотя вероятность попадания сосредоточенной помехи в спектр широкополосного сигнала больше, чем в спектр узкополосного, вероятность ошибок, создаваемых такой помехой, при широкополосном сигнале (и рационально построенном приемнике) может оказаться значительно меньше.

Простейшим способом построения широкополосного сигнала для защиты от сосредоточенных помех является объединение нескольких узкополосных сигналов, передающих одинаковую информацию, на смежных полосах частот с осуществлением частотно-разнесенного приема. При этом схема автовыбора строится так, что к решающему устройству подключаются только ветви, не пораженные сосредоточенными помехами.

Более сложные системы часто строятся с использованием "блока защиты от сосредоточенных помех", который представляет собой ряд параллельно включенных узкополосных фильтров со смежными полосами пропускания, рассчитанных так, что вместе они пропускают без существенных искажений весь широкополосный сигнал. Этот блок включается на вход демодулятора и управляется устройством, анализирующим напряжение на выходе каждого фильтра и запирающим те из них, в которых обнаруживаются мощные сосредоточенные помехи.

Для защиты от импульсных помех предложены различные способы, наиболее эффективные из которых основаны на амплитудном ограничении входного сигнала до его фильтрации или на мгновенном запирании приемника на время действия помехи.

В 1946 г. академик А. Н. Щукин показал, что, применяя ограничитель в широкополосном тракте приемника и пропуская ограниченный сигнал через узкополосный фильтр, можно при надлежащем выборе полос пропускания подавить импульсные помехи без заметного ухудшения помехоустойчивости относительно сосредоточенных и флуктуационных помех. Такая система получила название ШОУ (широкополосный фильтр, ограничитель, узкополосный фильтр).

В современных устройствах роль узкополосного фильтра выполняют обычносогласованные фильтры демодулятора.

Пусть входной сигнал приемника подается на двусторонний амплитудный ограничитель. Если уровень ограничения U₀ выбран несколько выше напряжения полезного сигнала, то при отсутствии импульсной помехи схема приемника остается линейной. Если же появится импульсная помеха с уровнем, большим, чем U₀, она будет ограничена. Таким образом, импульсная помеха длительностью τ_Κ со сколь угодно большой амплитудой на входе, трансформируется в импульс с площадью τ_ΚU₀. Амплитуда этого импульса примерно равна амплитуде сигнала, а спектр его сильно отличается от спектра сигнала. Поэтому после прохождения через узкополосный (или согласованный) фильтр подавляющая часть энергии импульсной помехи отсеивается и она не вызывает ошибок.

Однако в реальных условиях уровень U₀ достигается и сосредоточенной помехой, а из-за нелинейного элемента в схеме (ограничителя) образуются комбинационные частоты сосредоточенной помехи, которые в дальнейшем трудно' отфильтровать. Установка ограничителя после узкополосного фильтра, устраняющего влияние сосредоточенной помехи, неэффективна, ибо на выходе такого фильтра длительность импульсной помехи возрастает и условие τ_Κ<<Т не может быть выполнено.

Метод мгновенного запирания приемника на время действия импульсной помехи также не лишен недостатков. Во-первых, во время запирания и отпирания возникают переходные процессы, искажающие работу демодулятора, во-вторых, суммарное входное колебание (сигнал плюс сосредоточенная и флуктуационная помехи) оказывается при этом промодулированным импульсом запирания, из-за чего появляются дополнительные частотные составляющие, которые могут попасть в полосу сигнала.

Можно отметить частотно-временную дуальность между гармонической и импульсной помехами (спектральные характеристики сосредоточенной по спектру помехи напоминают временные характеристики импульсной, и наоборот). Это обстоятельство объясняет, почему меры борьбы с импульсной и сосредоточенной помехами в приемном устройстве взаимно противоположны.

Упомянутые выше шумоподобные сигналы можно с успехом использовать и для борьбы с импульсными помехами вследствие их различия по форме. Фильтр приемника, согласованный с таким шумоподобным сигналом, преобразует сигнал в короткий интенсивный (в зависимости от энергии сигнала) импульс, длительность которого обратно пропорциональна полосе частот сигнала. Импульсная же помеха превращается этим фильтром в колебание малой интенсивности, имеющее характер шума, слабо маскирующего сигнал.

За последние годы предложены схемы защиты от сосредоточенных и импульсных помех, основанные на компенсационных принципах. При этом такие схемы в условиях изменения характеристик помех становятся адаптивными.

Эффективной мерой защиты от сосредоточенных и импульсных помех является разнесенный прием одновременно по частоте и времени. Из ветвей частотного разнесения следует выбирать те, в которых меньше (или нет совсем) сосредоточенных помех, а из ветвей разнесения во времени те, где нет импульсной помехи. Весьма эффективны также методы защиты от различных помех, основанные на помехоустойчивом кодировании, которое рассмотрено в гл. 5.

Вопросы к главе 6

1. Какое приемное устройство (решающую схему) называют оптимальным?
2. Что понимают под алгоритмом работы приемника (решающей схемой)?
3. К проверке каких альтернативных гипотез сводится прием дискретных: сообщений в непрерывном канале с шумами?
4. На сколько не пересекающихся областей принятия решения следует разбить пространство принимаемых сигналов при передаче двоичных символов и использования стирания?
5. Поясните смысл оптимального разбиения пространства принимаемых сигналов при передаче дискретных сообщений.
6. Поясните смысл критерия идеального наблюдателя (Котельникова) при передаче дискретных сообщений.
7. * Поясните смысл критерия минимального среднего риска (байесовский критерий), при каких условиях из него следует правило максимального правдоподобия?
8. * Поясните смысл критерия приема Неймана - Пирсона, в каких ситуациях этот критерий приемлем?
9. Какие из известных правил решения не требуют знания априорных вероятностей символов (сигналов)?
10. Как можно геометрически интерпретировать алгоритм оптимального приема по правилу максимального правдоподобия при точно известном сигнале и гауссовском белом шуме в канале?
11. Из каких операций состоит алгоритм приема по правилу максимального правдоподобия при белом шуме в канале на базе корреляционной техники? Как упрощается этот алгоритм и реализующая его схема для систем с активной паузой?
12. Какую импульсную переходную характеристику и комплексный коэффициент передачи имеет линейный фильтр, согласованный при белом гауссовском шуме с сигналом s(t)?
13. Поясните условия реализуемости согласованного фильтра.
14. Какую форму имеет сигнальная составляющая на выходе согласованного фильтра при финитных входных воздействиях? Похожа ли она на форму переданного сигнала?
15. Как строится схема оптимального приема дискретных сообщений при точно известном сигнале и белом гауссовском шуме в канале, реализованная: на базе согласованных фильтров?
16. Как, в принципе, можно построить согласованный фильтр для сигналов произвольного вида?
17. Что понимают под потенциальной помехоустойчивостью системы связи?'
18. Чему равен энергетический выигрыш перехода в гауссовом канале от двоичной системы AM к системам ЧМ и ФМ при оптимальном когерентном приеме?
19. В чем заключается явление "обратной работы", наблюдаемое в системах ФМ?
20. Почему в системах ОФМ можно успешно бороться с явлением "обратимой работы"?
21. Какой схемой осуществляется оптимальный когерентный прием сигналов ОФМ и как определяется вероятность ошибочного приема в этой схеме при учете флуктуационного шума в канале?
22. Как можно записать алгоритм оптимального некогерентного приема дискретных сообщений при неопределенной фазе сигнала?
23. * Проделайте подробный вывод правила (6.71) для системы с пассивной паузой из общего правила решения (6.69).
24. Проделайте подробный вывод правила (6.72) для системы с активной паузой, исходя из общего правила решения (6.68).
25. Поясните реализацию алгоритма оптимального некогерентного приема при неопределенной фазе сигнала на базе корреляционной техники и согласованных фильтров.
26. В какой мере упрощается алгоритм и схемная реализация оптимального приема при определенной фазе сигнала для систем с активной паузой?
27. Какой формулой определяется минимальная вероятность ошибки для двоичной системы с активной паузой, ортогональной в усиленном смысле, при неопределенной фазе сигнала и флуктуационном шуме?
28. Как определяется вероятность ошибки при оптимальном приеме сигналов ОФМ и неопределенной фазе?
29. При передаче двоичной последовательности 1 1 0 1 0 0 0 1 1 в системе "ФМ последовательность фаз можно изобразить стрелками так: ↑↑↓↑↓↓↓↑↑ Как изобразить стрелками фазы сигнала, если та же двоичная последовательность передается в системе ОФМ?
30. * В условиях предыдущего вопроса, какая последовательность двоичных символов будет выдана получателю в системе с ФМ, если в момент прихода пятого символа фаза опорного напряжения перескочит на 180°? То же в системе с ОФМ.
31. * В каких схемах реализуется оптимальный некогерентный прием сигналов ОФМ?
32. * Докажите, что схема рис. 6.18 реализует алгоритм (6.86).
33. * Чем объяснить, что схемы приемников с не оптимальной фильтрацией до и после детектора могут существенно уменьшить потерю помехоустойчивости, связанную с нестабильностью частоты сигнала?
34. * Поясните инвариантность оптимальной схемы не когерентного приема для сигналов равной энергии к замираниям в канале.
35. Поясните возможности повышения качества систем связи (особенно в каналах с замираниями) за счет разнесенного приема.