Вопрос 2. Прием дискретных с-лов в каналах с замираниями.

Рис. Рассеяние и переизлучение с-ла в среде.

Каналы со случайными параметрами и свободно распространяющимися сигналами (кроме фазы, флуктуирует амплитуда)

I гр.

Существует геометрическая видимость передатчик – приемник.

Случайные измен. пар-ров среды приводят к var коэф. передачи канала и времени распространения с-ла.

Var пар-ры среды медленно и можно считать const за время сеанса, но от сеанса к сеансу var случайным образом.

Запас мощности передатчика, смена раб. ч-т, уменьшение скорости передачи à поддерживает треб. верность передачи.

Геометрическая видимость передатчик – приемник отсутствует. Связь обеспечивается за счет отражения и рассеивания с-ла локальными неоднородностями среды распространения (см. рис. ). Появление неоднородностей – рез-т действия быстро изменяющихся случайных факторов (вихревые процессы, физико-химические превращения и др. уменьшаются).

Рез-т à излученный с-л попадает на вх. приемника по многим путям (многопутевое распространение, многолучевость). На вх. приемника ∑ отдельных колебаний, время и амплитуда которых случайны. Возникает интерференция и как следствие «замирания».

Для оптим. приема надо знать хар-р поведения их огибающей и фазы.

Полагают, что за время, равное длительности посылки с-ла структура среды не успевает существенно измениться. à у суммарного с-ла на вх. приемника амплитуда и фаза в пределах длительности одной посылки остаются ≈ постояннными и изменяются от посылки к посылке. Амплитуда меняется медленнее чем фаза.

Статистические св-ва огибающей сигнала в канале с замираниями описывают с помощью ф-ции распределения. Чаще всего для этого исп. з-н Рэлея.

Т.к. амплитуда вх. с-ла С.В., то h_x² и p_ош(h_x²) – тоже С.В. à необходимо усреднить p_ош(h_x²) по всем возможным значениям h_x². С исп. Рэлеевского распределения

h₀² – энергетическое отношение с-л/шум без учета случайных параметров среды;

γ_c² – постоян. коэф., зависит от класса рассматриваемх двоичных с-лов.

При одной и той же ср. мощности передатчика помехоустойчивость в канале с замираниями существенно ниже (хуже), чем в канале с постоянными параметрами.

Например, для достижения p_ош = 10^-5 в канале с релеевскими замираниями необходимо увеличить мощность по срав. с каналом без замираний ≈ 4500 раз.

Основ. способ увеличения помехоустойчивости – разнесенный прием.

Суть – решение о переданном символе производится не по одному, а по нескольким, несущим одно и то же сообщение с-лам.

Варианты:

А. Частное разнесение – одновременно передавать не нескольких частотах.

Б. Временное раснесение – повторение несколько раз через определенные промежутки времени.

В. Пространственное разнесение – от одного передатчика принимать сразу на несколько антенн, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

Г.

Д.

……и т.д.

- по углу прихода луча;

- по поляризации;

- по времени запаздывания…

Общее требование к разнесенному приему: чтобы взаимная корреляция замираний в ветвях (разнесения) была незначительной.

à с увеличением числа ветвей разнесения увеличивается вер-ть того, что хотя бы в одной ветви амплитуда с-ла окажется достаточно большой, чтобы обеспечить треб. верность передачи.

Но увеличение числа ветвей до 3 шт существенно уменьшает р_ош, увеличение числа ветвей до 4 шт и более не существенно снижает р_ош.

Тема 5. Прием сигналов в системах передачи дискретных сообщений.

Лек. 12. Реальные способы приема дискретных сигналов.

1. Прием частотно-манипулированных с-лов.

2. Прием фазо-манипулированных с-лов.

3. Прием с-лов с относительной ФМ_н.

3.1. Суть метода.

3.2. Сх. реализация когерентного метода.

3.3. Сх. реализация автокорреляционного метода.

3.4. Срав. оценка помехоустойчивости оптимальных и реальных методов приема с-лов.

Оптимальные сх. приема реализуют предельное превышение с ФН_н с-ла над помехой, обеспечивая максимальную (потенциальную) помехоустойчивость с-м связи при когерентной и некогерентном приемах с-лов. Однако реализация оптимальных приемников на практике явл. весьма сложной технической проблемой.

«Отступления от оптимальных сх. приема» на практике позволяют исп. более простые и дешевые схемы, учитывающие ряд факторов инженерного характера. Тем не менее при этом удается не очень ухудшить их качественные показатели по сравнению с соответствующими оптимальными приемниками.

Реальные способы приема (как и оптимальные)

Когерентный прием Некогерентный прием

АМ_н ЧМ_н ФМ_н АМ_н ЧМ_н ФМ_н

Обычно не используются, т.к. схемы значительно сложнее, чем некогерентного приема если идти на усложнение, то целесообразно исп.

Ограниченное применение пассивная пауза b_S = 0,

Вопрос 1. Прием ЧМ_н

Для передачи двоичной цифровой инф.

S₀(t) = Acos(ω₀t + φ₀)

S₁(t) = Acos(ω₁t + φ₁)

Рис. Временная диаграмма и спектр ЧМ_н с-лов.

Реальный прием простых двоичных с-лов осуществляется схемами, в которых основ. фильтрацию с-ла от помехи выполняет квазиоптимальный фильтр, а отчет в конце интервала анализа берется по огибающей вых. колебания.

Квазиоптимальный фильтр – линейный фильтр, частотные и фазовые хар-ки которых заданы или выбраны заранее.

Может «квази» = «почти» = «близкий».

Уменьшается полосы пропускания приемника à уменьшается мощность помех, дальше уменьшается полоса пропускания приемника, начинается уменьшение энергии полезного сигнала.

à Для квазиоптимального фильтра оптимальная полоса ч-т, при которой отношение с-л/шум = max.

Впервые такой фильтр исследовал В.И.Сифоров:

Прохождение одиночного радиоимп. с прямоугольной огибающей в присутствии аддитивного белого шума

а) идеальный полосовой фильтр max с-л/шум при Δf ≈1,37/T, h₁² = 0,825 h₀², где h₀² – max с-л/шум при оптимальной обработке;

б) квазиоптимальный (одиночный колебат. контур) –“– Δf ≈1,37/T, h₁² = 0,825 h₀²

Вывод. Квазиоптимальные фильтры:

1) обеспечивают помехоустойчивость ≈ ту же, что и оптимальные сх. (на фоне флуктуационных помех);

2) малокритичны к небольшим отклонениям ч-ты;

3) не критичны к отклонениям фазы принимаемого с-ла.

Если идет прием не одиночного с-ла, а непрерывной последовательности имп., то имеют место остаточные колебания от предыдущих, т.е. следует учитывать взаимное перекрытие. Для этого случая

Δf_{эф. опт} = 1,1/Т; h₁² = 0,58 h₀² (5.29)

На практике для реальных схем обычно полагают

Δf = 2/Т; h₁² ≈ 0,5 h₀².

Рис. Структурная сх. некогерентного приема ЧМ_н с-ла (вариант).

Помехоустойчивость УМ_н с-лов:

1) При оптим. когерентном приеме см. (5.24)

2) При оптим. некогерентном приеме см. Л.11, в-с 1

3) При приеме по по огибающей см. (5.29)

с помощью полосовых фильтров

Рис. Помехоустойчивость ЧМ_н с-лов при различных способах приема.

Анализ графиков и формул:

1) помехоустойчивость (p_ош) оптимального некогерентного приема несущественно отличается (хуже) от оптимального когерентного.

2) реальный приемник с ПФ по срав. с оптим. некогерентным дает 2-х кратный проигрыш по мощности.

Вопрос 2. Прием ФМ_н с-лов.

S(t) = Acos( ) :

Алгоритм оптим. обработки равновероятных и имеющих одинаковую энергию двоичных с-лов.

Т.к. с-лы при ФМ_н противоположны, то S₀(t) = – S₁(t), то

Напряж. на вых. фазового детектора имеет вид линейно-нарастающих имп., полярность которых определяется значением разности фаз опорного и принимаемого колебания.

Рис. Структурная сх. приемника ФМ_н с-лов.

Если напряж. на вых. ФД в момент окончания посылки с-ла положительно, то УСВ принимает решение в пользу b₀.

Но чтобы вых. напряж. ФД зависело телько от значения фазы с-ла S_оп(t) должно быть: 1) синхронным с принимаемым с-лом; 2) начальная фаза должна быть равна 0.

ФД синхронный (когерентный)

(пути реализации – решения)

Исп. местного высокостабиль­ного генератора S_оп(t), фазируемого с S_оп передатчика в начале каждого сеанса связи. Сложно, например относит. нестабильность ч-ты df/f = 10^-6…10^-8 можно только в течении (2·10³ ÷ 20) с.

Формирование опор. напряж. из с-ла, принимаемого совместно с помехами. Повсеместно исп. на практике. УФОН (уст-во формирования опорного напряж.) работает по принципу снятия манипуляции с ФМ_н с-ла и фильтрация полученного напряж. от помех.

Основной недостаток с-м с ФМ_н à явление обратной р-ты ФД. à

Если нач. фаза φ_оп изменит «вдруг» свое знач. на +180º или на –180º, то полярность напряж. на вых. ФД U_ФД соответствующая посылкам S₀ и S₁ изменится на обратную). à

Устраняется в с-мах с ОФМ_н, относительной фазовой М_н сов. уч. Н.Т. Петрович, 1954г.

Вопрос 3. Прием с-лов с ОФМ_н.

3.1. Суть метода ОФМ_н: выбор фазы сигнальной посылки зависит не только от вида информационного символа (0 или 1), подлежащего передаче, но и от того, какой была фаза предыдущей посылки (0 или 180º).

Вариант (один из двух): При передаче символа лог. «0» фаза посылки остается такой же, как и у предыдущей посылки, а при передаче символа лог. «1» фаза посылки изменяется на 180º по отношению к фазе предыдущей посылки.

Схемная реализация ОФМ_н требует элемент памяти (ЭП) для учета «ситуации» по предыдущему символу.

Схемная реализация наиболее распространена:

1) когерентный метод (метод сравнения полярностей);

2) автокорреляционный метод (метод сравнения фаз).

3.2.

Рис. Структурная сх. приемника ОФМ_н с-лов

(сравнение полярной – когерентный метод)

ФД осуществляет демодуляцию ОФМ_н с-лов на его вых. положит. или отрицательные видеоимпульсы.

УСВ – сравнивается полярность огибающей принятой посылки с полярностью огибающей предыдущей посылки.

+ Ошибки от явления «обратной р-ты» ФД при переноске фазы φ_оп на ± 180º охватывает один или max два.

– Если ошибка, из-за действия помех и на вых. ФД полярность изменится, то она всегда парная, т.е. на 2 символа (на ошибочно принимаемый и на следующий).

3.3.

Рис. Структурная сх. приемника ОФМ_н с-лов

(сравнение фаз – автокорреляционный метод).

В качестве опорного напряж. исп. предыдущая посылка с-ла, которая запоминается на время τ = T.

ФД сравнивает фазы принятой посылки с фазой предыдущей (опорной) посылки. На вых. ФД положит. или отрицат. полярности с-л.

+ Принципиально исключает возможность обратной р-ты ФД.

3.4. Сравнит. оценка помехоустойчивости оптимальных и реальных методов приема простых с-лов с ФН_н для реальных схем путем замены в теоретических вместо на .

- оптимальный приемник;

- метод сравнения полярностей (когерентный метод);

- метод сравнения фаз (автокорреляционный метод);

1 оптимальный приемник ФМнС

2 прием ОФМн по методу сравнения

полярностей (когеренный)

3 прием ОФМн по методу сравнения

фаз (автокорреляционный)

4 реальный прием ОФМнС по методу

срав. полярностей

5 реальный прием ОФМнС по методк

срав. фаз

Рис. Помехоустойчивость ФМ_н и ОФМ_н

с-лов при различных способах приема.

В реальных приемниках для ↓ влияния помех обычно исп. фильтры с полосой пропускания Δf = 2/т. Кроме того в ех. ФД идеальный интенограф чисто заменяют фильтром нижних ч-т (ФНЧ) с полосой пропускания Δf_φ ≈1/т. Применение этих ФНЧ эквивалентно тому, что шумовая полоса до ФД Δf_э будет равна 2 Δf_φ или 2/т.

- метод срав. полярностей;

- метод срав. фаз.

Относительные методы могут успешно приниматься не только в с-мах с ФМн, а также в с-мах с ЧМн и АМн. особенно эффективно их приминение в каналах в замираниями.