Шумоподобные сигналы

Остановимся кратко на вопросах использования в качестве переносчика информации шумоподобных сигналов. Оказывается, что для этой цели годятся только такие шумоподобные сигналы, которые не являются случайными. Они формируются по определенному алгоритму. Несмотря на полную схожесть таких шумоподобных сигналов со случайными процессами, их числовые характеристики остаются неизменными во времени. Модуляция в данном случае заключается в воздействии модулирующей функции на какие-либо числовые характеристики этого шумоподобного сигнала.

Шумоподобные сигналы относятся к классу широкополосных сигналов, у которых, так называемая, база больше 1. Их также называют сложными сигналами.

Простые дискретные сигналы относятся к узкополосным, а их база равна 1. База определяется как произведение длительности сигнала на его ширину спектра . В случае узкополосных сигналов и связаны между собой следующем соотношением: . Отсюда следует, что для узкополосных сигналов база действительно равна 1

Для получения шумоподного сложного сигнала поступают следующим образом. Сигнал длительностью сигнала разбивают на N бинарных элементов длительностью . Такое разбиение позволяет получить тот же сигнал длительностью , но его полоса теперь равна . Известно, что чем уже импульс, тем шире полоса спектра. Так как , то база шумоподобного сигнала .

Широкополосные шумоподобные сигналы (ШШС) обычно имеют базу Их спектр распределен в широкой полосе частот, а уровень спектральных составляющих может лежать даже ниже уровня шума в канале связи. Применение ШШС в системах связи позволяют повысить их устойчивость к сосредоточенным и импульсным помехам, обеспечить энергетическую скрытность, а также осуществить многоканальную передачу информации [6] .

Значительный вклад в теорию систем связи с ШШC внесли Л.Е. Варакин, Н.Т. Петрович, В.Б. Пестряков и др.

1.6. Цифровые сигналы

Дискретные системы связи по сравнению с непрерывными имеют ряд преимуществ. К ним относятся высокая достоверность приема сообщений за счет применения помехоустойчивых методов кодирования сигналов, большие скорости передачи информации, более эффективное использование мощности передающих устройств, дешевизна и малые габариты аппаратуры и др. Естественно, возникает вопрос: а нельзя ли использовать дискретные системы для передачи непрерывных сообщений? Оказывается, можно, и вот почему. Любое непрерывное сообщение передается с некоторой необходи-мой, с точки зрения получателя, точностью. Следовательно, оно может быть заменено конечным числом символов, а это будет уже дискретное сообщение, которое после кодирования можно передать по дискретному каналу связи. Возможность передачи непрерывных сообщений конечным множеством его значений объясняется тем, что все реальные непрерывные сигналы всегда имеют конечные длительности и ограниченные спектры частот. Граничные частоты спектра сигналов определяются свойствами системы связи и самим получателем,

Для сигналов, представляющих собой функции конечной длительности с ограниченным спектром, справедлива следующая теорема В.А. Котель-никова: "Функция с ограниченным спектром полностью определяется своими значениями, отсчитанными через интервалы , где - верхняя граничная частота спектра функции".

Таким образом, согласно теореме В.А. Котельникова, для пере­дачи непрерывной функции с ограниченным спектром достаточно передать ее отдельные мгновенные значения, отсчитанные через интервалы . Так как непрерывная функция полностью определяется этими значениями, то по ним она может быть восстановлена на приемном конце системы связи.

Теорема В.А. Котельникова лежит в основе дискретизациинепрерывных сигналов. Согласно этой теореме функция, не содержащая частот выше , полностью определяется последовательностью своих значений в моменты, отстоящие друг от другана интервалы .

Сигнал конечной длительности Т будет определяться отсчетами, т.е. m числами, соответствующими мгновенным значениям сигнала. Это обстоятельство позволяет единым образом рассматривать передачу любого сигнала как передачу чисел с тактовой частотой .

Рассмотренный вид дискретизации непрерывных сигналов на­зывается дискретизацией по времени. Ди­скретизация по времени лежит в основе всех видов импульсной мо­дуляции.

Для того, чтобы было удобно представлять значения сигнала при времен-ной дискретизации конечным числом кодовых комбинаций, вводят дискрети-зацию значений функции по уровню. Эта операция носит название кванто-вания сигнала.

Смысл ее состоит в том, что вместо данного мгновенного зна­чения сигнала передается ближайшее значение сигнала, согласно выбранной шкале дискретных уровней (рис.1.25). Чаще всего шкала квантования имеет постоянный шаг ( ).

рис.1.25

При квантовании по уровню сознательно вносится погрешность, так как истинное значение сигнала заменяется округленным значением . Эта погрешность, равная , называется помехой квантования или шумом квантования. Шаг квантования выбирается таким образом, чтобы случайная помеха в канале связи не превосходила половины шага квантования. Тогда на приемном конце квантованный сигнал, с наложенной на него помехой, можно снова проквантовать и освободить от помехи. Квантование по уровню позволяет предотвратить накопление помех при передаче сигнала по линии связи.

Таким образом, дискретизация по времени и квантование по уровню позволяет непрерывное сообщение преобразовать в дискретное, которое затем легко закодировать, превратив в цифровой сигнал, и передать методами дискретной техники. В этом случае при передаче непрерывного сообщения появляется возможность применения помехоустойчивых способов приема и обработки сигналов, а также сопряжения устройств связи с цифровыми вычислительными машинами.

В технике связи из таких систем наибольшее применение получили система с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

В системе с ИКМ непрерывный сигнал дискретизируется по времени и квантуется по уровню, а затем кодируется двоичным кодом. Так для передачи речевого сигнала со 128 уровнями достаточно применить семизначный двоичный код (2⁷=128). При этом частота временной дискретизации выбирается из условия = 6,8 кГц, так как верхняя граничная частота в спектре речевого сигнала, ограниченного полосой канала тональной частоты, равна 3,4 кГц. Полученные кодовые комбинации могут передаваться по системе связи любым методом дискретной манипуляции. В большинстве случаев применяет­ся частотная манипуляция (КИМ-ЧМ) или относительная манипуляция фазовая (КИМ-ОФМ).

1.7. Помехи в каналах связи

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

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

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

Помехи в канале связи 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, космические и другие помехи. В радиоканалах наиболее рас­пространенными являются атмосферные помехи. Энергия этих помех в основном сосредоточена в области средних и 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 электропередачи, генерато­рами, системами зажигания двигателей и др. Космические помехи созда­ются электромагнитными процессами, происходящими в Галактике, на Солнце и других внеземных объектах. Эти помехи особенно сказыва­ются в диапазоне УКВ до нескольких ГГц, 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 процессом, обладающим практически равномерным энергетическим спектром. Эта помеха имеет место во всех реальных каналах связи. Примером флуктуационной помехи являются внутренние шумы элементов аппаратуры связи, космические шумы и некоторые виды атмосферных и индустриальных помех. Ширина спектра флуктуационных помех много больше спектра передаваемого сигнала.

Сосредоточенная помеха имеет энергетический спектр более узкий или такой же, как у сигнала. Она может создаваться посторонними средствами связи и другими промышленными объектами. Как правило, сосредоточенные помехи представляют собой модулированные колебания. Этот вид помех особенно сильно проявляется в 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 приемной аппаратуре 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 радиокана-ла. Случайные изменения его параметров приводят к непостоянству коэф-фициента передачи и времени прохождения сигналов по каналу связи, а также к явлению многолучевого распространения радиоволн.

Все перечисленные выше возмущения обязательно проявляются в виде помехи в той или иной мере при передаче сигналов.

Независимо от вида возмущений в канале связи, его воздействие на сигнал можно представить в виде оператора .

Если возмущение, действующее в канале связи, складывается с сигналом, то это аддитивная помеха. К ней 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 . Аддитивную помеху в инженерной практике часто называют шумом.

Если же возмущение непосредственно связано с прохождением сигнала в канале связи, то оно называется мультипликативной помехой. Эта помеха перемножается с сигналом, а при его отсутствии никак не проявляется на входе приемника. При этом оператор преобразуется в произведение , где - коэффициент передачи канала связи, изменяющийся случай­ным образом во времени.

Мультипликативные помехи характерны для каналов радиосвязи. Они 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 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 тракта радиосвязи, в которых одновременно действуют сигнал и помеха.

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

(1.20)

где - коэффициент передачи канала радиосвязи;

- передаваемый сигнал;

- время запаздывания сигнала - го луча;

- аддитивная помеха;

к - число лучей.

Канал связи, параметры 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 параметры и непрерыв­но меняются случайным образом. Такие каналы радиосвязи называются кaнaлaми с пере-менными параметрами.

Случайные изменения параметров и приводяткнепрерывному изменению уровня принимаемого сигнала, которое называется замираниямиили 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 этих слоев, а также их электронной концентрации приводит к случайным изменениям амплитуд и фаз отдельных лучей на входе приемника. В итоге, результирую-щий 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 свойств среды распростра-нения различают гладкиеи селективные замирания. В свою очередь зами-рания могут быть медленнымии быстрыми.

Когда взаимное запаздывание приходящих лучей соизмеримо с длительностью элемента сигнала, явление многолучевого распространения вызывает не только замирания сигнала, но и наложение соседних элементов сигнала друг на друга. Это явление называется радиоэхо, а запаздывающий луч - эхо-с и г н а л о м.

Медленные изменения параметра , приводящие к медленным замираниям, вызываются суточными и сезонными изменениями состояния тропосферы и ионосферы.

Быстрые замирания обусловлены, главным образом, многолучевым распространением радиоволн.

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