Читайте также:
|
|
Свойства канала радиосвязи:
Во-первых,канал радиосвязи может обладать очень большим затуханием, достигающим нередко 140¸160 дБ. Мощность сигнала на входе приемной части канала часто измеряется величинами порядка 10-10¸10-14 Вт, в то время как для надежной работы аппаратуры, регистрирующей сигнал, требуется мощное достигающая иногда единиц ватт и более. Это значит, что приемная аппаратура канала должна иметь коэффициент усиления по меньшей мере 1010¸1014 по мощности или 105¸107 по напряжению.
Проблема усиления сигнала состоит не столько в требуемом большом коэффициенте усиления, сколько в том, что уровень сигнала, действующего на входе приемной аппаратуры, оказывается соизмеримым с флюктуационными токами, действующими в электрических цепях и вызванными главным образом тепловым движением носителей электрического заряда.
Флюктуационные токи (шумы) накладываются на сигнал, и отделить их не представляется возможным.
Во-вторых, затухание канала радиосвязи оказывается переменным в широких пределах. Напряженность поля электромагнитной волны в точке приема обратно пропорциональна квадрату длины пути, совершенного ею, поэтому изменение уровня канала на входе приемной части канала в реальном диапазоне необходимых дальностей связи достигает 100¸120 дБ. Это создает, свои трудности — трудности обеспечения постоянства выходного уровня сигнала, что необходимо для нормального функционирования регистрирующей аппаратуры.
Переменное затухание канала, в частности, затрудняет возможность создания дуплексных систем связи, подобных проводным системам с двухпроводным выходом, если информативным параметром высокочастотного колебания является амплитуда, так как в таких системах неизбежно нарушение устойчивости (возможность самовозбуждения канала за счет непостоянства остаточного затухания).
Большие колебания затухания канала наблюдаются при ведении связи между подвижными объектами, если используются ультракороткие волны, распространение которых зависит от характера рельефа местности, в общем случае быстро меняющегося. Особенно неблагоприятными становятся условия ведения cвязи когда на пути движения встречаются объекты, отражающие волны, так как при этом имеет место прием нескольких интерферирующих между собой лучей, что приводит к замираниям сигнала. Наиболее тяжелые условия связи в этом смысле наблюдаются в гористой местности, в городах и крупных населенных пунктах.
В-третьих, затухание канала радиосвязи оказывается переменным в силу изменчивости параметров земной атмосферы, изменение наблюдается в большей степени в диапазоне коротких волн при ведении связи отраженными от ионосферы волнами. Прежде всего, в силу протекающих медленных суточных изменений степени ионизации отдельных областей атмосферы возникают суточные колебания уровня сигнала. Кроме того, прием радиоволн, отраженных от ионосферы, сопровождается частыми и довольно быстрыми замираниями сигналов, вызванными интерференцией лучей, пришедших в точку приема различными путями, протяженность которых изменяется в результате флюктуации ионосферы.
В-четвертых, канал радиосвязи, ограниченный только средой распространения радиоволн, является физически общим для всех существующих средств радиосвязи, радиовещания, радионавигации и т. д. Возможность одновременной передачи огромного количества сообщений по радио заложена в частотном различии сигналов, т. е. в различном положении сигналов на частотной оси. Однако если принять во внимание, что организованное использование частотного диапазона, особенно участков, для которых дальность распространения радиоволн практически не ограничена (KB), чрезвычайно затруднительно, а потребность в некоторых участках диапазона превышает их физическую емкость, то легко сделать вывод о возможности или даже неизбежности взаимных помех при передаче сообщений, приводящих к потере какой-то части информации.
Положение усугубляется техническим несовершенством радиоаппаратуры, которое выражается в том, что передача сигналов обычно сопровождается побочными излучениями, поражающими ряд полос частотного диапазона, а при приеме воспринимаются помехи из области частот, значительно превосходящей полосу, занимаемую принимаемым сигналом, особенно если источники помех находятся близко от места приема.
Источниками помех, затрудняющих прием сигналов, являются также такие природные процессы, как грозовые разряды в атмосфере и радиоизлучения Солнца и Галактики. Кроме того, помехи создаются большим числом промышленных и бытовых электрических установок (имеются в виду электрический транспорт, различного рода электрические двигатели, электросварочные аппараты, световые рекламы, медицинское высокочастотное оборудование и т. д.).
Большинство помех природного и промышленного происхождения является широкополосными помехами, охватывающими практически весь частотный диапазон или значительную его часть.
Нельзя не принимать во внимание и искусственные или преднамеренные помехи, специально рассчитанные на срыв передачи сообщений. Относительная легкость осуществления преднамеренных помех обусловлена свободным доступом к среде распространения радиоволн.
Таким образом, сигнал, поступающий на вход приемной аппаратуры, может существенно отличаться от сигнала, действующего на выходе передающей аппаратуры. Искаженный помехами сигнал в общем виде можно выразить функцией
Мультипликативная помеха является результатом проявления нелинейных свойств отдельных элементов тракта связи, в которых одновременно действуют сигнал и помеха.
Упомянутые выше замирания сигнала также можно рассматривать как результат действия мультипликативной помехи, в роли которой выступает сам сигнал. В результате многолучевого распространения волн амплитуда и фаза сигнала медленно (в сравнении с собственными колебаниями) изменяются. Это изменение можно представить как процесс модуляции, а модуляцию — как результат перемножения модулируемой и модулирующей функций.
Существование помех радиоприему, снижающих надежность радиосвязи, создает проблему совместимости электромагнитных полей, создаваемых различными источниками, или проблему электромагнитной совместимости (ЭМС). Проблема ЭМС в первую очередь затрагивает совместимость полей средств радиосвязи, так как взаимные помехи между радиостанциями занимают главенствующее положение. В настоящее время все вопросы, относящиеся к использованию каналов радиосвязи (технические или организационные), не могут решаться вне связи с решением проблемы ЭМС.
В-пятых, радиоканал вносит искажения в передаваемый сигнал за счет ограничения его спектра частот. К ограничению бесконечно широкого спектра сигнала, имеющего конечную длительность, прибегают во всех системах связи, поскольку основная энергия сигналов сосредоточена обычно в относительно узкой полосе, однако в системах радиосвязи необходимость максимального ограничения спектра вызывается недостаточной емкостью частотного диапазона и стремлением уменьшить вероятность попадания посторонних помех в полосу пропускания канала.
Итак, радиоканал (в отличие от проводного канала) характеризуется, с одной стороны, широким диапазоном медленных и быстрых изменений затухания, с другой — действием большого количества помех от внешних источников (т. е. источников, помехи от которых проникают в канал со стороны среды распространения волн, в отличие от внутренних флюктуационных шумов, проявляющихся в любой аппаратуре при усилении слабого сигнала).
Для того чтобы уметь рассчитывать надежность радиосвязи, необходимо знать, как изменяются эти параметры во времени. В дальнейшем мы будем принимать во внимание лишь релеевское распределение амплитуд как наиболее неблагоприятное для связи.
Эффективное значение напряжения сигнала на входе приемника, выраженное в децибелах, называют уровнем сигнала.
Экспериментальные исследования показывают, что уровни сигналов в большинстве случаев распределены по нормальному закону.
Свободный доступ к среде распространения радиоволн приводит к тому, что в каналах радиосвязи кроме собственных шумов почти всегда действуют помехи.
Атмосферные помехи вызываются грозовыми разрядами, возникающими как в непосредственной близости от пунктов приема, так и в удаленных районах. На коротких волнах даже в северных широтах обнаруживаются помехи от грозовых разрядов, происходящих в экваториальных зонах. Уровень помех от удаленных очагов определяется условиями распространения радиоволн на трассе. Спектральная плотность атмосферных помех максимальна в области звуковых частот и убывает с ростом частоты.
Шумы космического происхождениясоздают общий шумовой фон. Они обусловлены излучением Галактики и внегалактическим излучением. Наибольшая спектральная плотность этих шумов наблюдается в дециметровом и сантиметровом диапазонах и сними приходится считаться, например, при обеспечении космической радиосвязи.
Промышленные помехиисходят от различных электрических установок, электрического транспорта, медицинских и бытовых приборов. Эти помехи наиболее ощутимы в крупных промышленных центрах. Уровень промышленных помех, как правило, убывает с ростом частоты.
Взаимные помехи между различными радиотехническими устройствами возникают в силу ограниченности частотных ресурсов и несовершенства организации их использования.
Это особенно относится к KB диапазону, так как его замечательные свойства привлекают огромное число потребителей. Взаимные помехи между радиостанциями стали основными в этом диапазоне. Они теперь превышают по уровню такие виды помех, как промышленные помехи, шумы космического происхождения и даже атмосферные помехи (за исключением случаев гроз в непосредственной близости от пунктов приема).
Мировая сеть KB радиостанций может излучать мощность в полосе
1 кГц, измеряемую десятками, сотнями и даже тысячами кВт.
Данные об излучаемой мощности и существующая тенденция к ее росту свидетельствуют о все усложняющихся условиях ведения KB радиосвязи. Однако нельзя говорить о ее безнадежных перспективах. Следует иметь в виду, что обобщение таких данных, как излучаемая мощность, приводит часто к утрированному представлению о реальной загрузке KB диапазона. Дело в том, что в силу свойств распространения радиоволн дальности взаимного мешания радиостанций всегда ограничены. Кроме того, работа всей массы радиостанций определенным образом распределяется во времени.
Высокая загрузка KB диапазона является лишь указанием на то, что в настоящее время нельзя рассчитывать на надежную KB радиосвязь без должной ее организации и без учета знаний закономерностей распределения уровней помех.
Под уровнем взаимныхили сосредоточенных станционных помех(сосредоточенных потому, что основной спектр одного источника ограничен относительно небольшой полосой частот), как и в случае сигналов, понимают эффективное значение напряжения помех на входе приемника при определенном типе приемной антенны, выраженное в децибелах по отношению к 1 мкВ, т. е. при необходимости понятие уровня помех может быть распространено и на напряженность поля помех в точке приема.
Эксперименты показывают, что при переходе от дня к ночи среднее значение уровней помех, особенно в нижней части KB диапазона, и их рассеяние увеличиваются. Однако при устойчивом состоянии ионосферы для интервалов времени, обычно не превышающих двух часов, рассматриваемый случайный процесс можно считать стационарным. Для полосы DFc=l,2 кГц значения sх в среднем составляют 5¸10 дБ днем и 10¸15 дБ ночью.
Таким образом, в KB диапазоне медленные флюктуации параметров сигналов и помех, обусловленные изменением поглощения, включением и выключением источников помех, локальными возмущениями ионосферы, в сочетании с быстрыми замираниями характеризуют KB радиоканал как канал с резко переменными параметрами.
Иная картина имеет место в УКВ диапазоне. Уже говорилось, что уровни сигналов при связи земной волной в этом диапазоне подвержены небольшим медленным замираниям в результате суточных изменений метеорологических условий, причем эти изменения наблюдаются на трассах, протяженность которых превышает 20¸40 км. Более глубокие замирания наблюдаются в условиях ведения связи между подвижными объектами, что объясняется, во-первых, изменениями условий распространения радиоволн в силу меняющегося рельефа местности и, во-вторых, отражением волн от местных предметов, приводящим к интерференционной картине поля в точках приема. Что касается взаимных помех, то их характер и влияние на качество радиосвязи определяются степенью совершенства организации радиосвязи, поскольку зоны взаимного мешания для земных волн ограничены. При наличии нерегулярного отражения волн от областей ионосферы F2 и Fs и тем более при искусственной ионизации атмосферы картина помех может существенно усложниться.
Если оценка действия помех в KB диапазоне опирается на статистические исследования, позволившие найти законы распределения уровней помех по интересующим нас координатам (f, t) и соответствующие им числовые характеристики, то, оценивая действие помех в диапазоне УКВ, мы не можем сослаться на обширные статистические данные, потому что их трудно, а иногда и невозможно получить.
Можно лишь предположить, что в случае ионосферного распространения УКВ законы распределения уровней сигналов и помех будут такими же, как и на KB, однако их числовые характеристики могут существенно отличаться.
Радиоканал — часть составного канала связи, поэтому, говоря о качестве собственно радиосвязи, подразумевают качество передачи сигналов по радиоканалу.
Критерием качества радиосвязи является степень точности воспроизведения первичных электрических сигналов на выходе радиоканала или, другими словами, достоверность этих сигналов.
Искажения радиосигналов могут возникать при их преобразовании (модуляции) и усилении в передатчике за счет физических свойств среды распространения радиоволн, в результате действия помех, при усилении в приемнике и, наконец, при обратном преобразовании (демодуляции). Наибольший вес среди названных причин, приводящих к искажению радиосигналов, имеют помехи. Качество радиосвязи в условиях действия помех находится в зависимости от видов используемых радиосигналов.
Один и тот же первичный электрический сигнал можно преобразовать в различные виды радиосигналов, поэтому существует некоторая возможность их выбора. Однако повышение качества радиосвязи в какой-то конкретной помеховой обстановке с соблюдением условия передачи радиосигналов со скоростью передачи поступающих первичных сигналов всегда связано с расходом такого ресурса, как полоса частот.
Повышение качества связи может достигаться применением специальной оконечной аппаратуры линии, например аппаратуры для передачи дискретных сигналов, в которой предусмотрено кодирование с избыточностью, используемой для обнаружения, запроса и исправления возникающих в канале передачи ошибок, но при этом качество собственно радиосвязи остается неизменным. Положительный эффект в этом случае достигается за счет задержки передачи сообщений, т. е. за счет временного ресурса.
Специфика различных видов радиосигналов приводит к необходимости введения частных критериев достоверности.
Для наиболее употребимых в радиосвязи дискретных сигналов (телеграфных или телекодовых) достоверность передачи оценивается вероятностью ошибочного приема элементов сигнала (импульсов, посылок), т. е. отношением числа искаженных элементов к общему числу переданных элементов: POm = Nиск / N.
Осуществить связь дискретными сигналами заданного качества или с заданной достоверностью значит выполнить условие: Рош < Pош доп
Требования, предъявляемые к достоверности приема дискретных сигналов, вытекают из возможности логического восстановления ошибок, а также из значимости передаваемой по линии радиосвязи информации. Так, допустимая вероятность ошибок в приеме элементов телеграфных сигналов, передаваемых по обычным линиям радиосвязи, может достигать значений (3÷5)· 10-3, а в приеме элементов телекодовых сигналов автоматизированных систем управления — не превышающих (1÷10) • 10-6.
Большинство современных KB радиоканалов не может обеспечить столь высокое качество передачи радиосигналов, поэтому функция исправления ошибок возлагается на оконечную аппаратуру с решающей обратной связью (РОС).
Несколько сложнее обстоит дело с оценкой достоверности приема непрерывных сигналов.
Для оценки степени соответствия принятого и переданного сигналов можно было бы воспользоваться таким критерием, как среднеквадратичная ошибка
Однако измерение среднеквадратичной ошибки часто не представляется возможным. Поэтому о качестве радиоканала обычно судят по сопоставлению сообщений или их элементов на входе и выходе линии радиосвязи, полагая при этом, что передающие и приемные тракты первичных электрических сигналов не вносят искажений.
Критерием достоверности телефонных (речевых) сообщений служат артикуляционные потери A = Rиск / R,, где Rиск — количество неправильно принятых элементов речи; R — количество переданных элементов речи.
Элементами речи могут быть звуки, слоги, слова и фразы. Осуществить связь телефоном с заданным качеством значит удовлетворить условию: А<Адоп. Принято считать качество телефонной связи отличным, если фразовые артикуляционные потери не превышают 1%, хорошим, если они лежат в пределах 1÷З%, и удовлетворительным, если эти пределы ограничены 3÷5%.
Непрерывные сигналы могут дискретизироваться. В этом случае достоверность приема оценивается так же, как и достоверность дискретных сигналов.
Мы уже отмечали, что искажения сигналов, т. е. утрата их достоверности, в основном вызываются действием помех в радиоканале. Пренебрегая другими причинами искажений в силу их ничтожной роли (что справедливо при правильно спроектированной аппаратуре), можно считать, что достоверность приема определяется только отношением средней мощности сигнала к средней мощности помех в полосе частот приема.
Кроме оценки по достоверности приема сигналов, определяющей качество радиосвязи, необходимо также сопоставлять сигналы по их частотной и энергетической эффективности, с тем чтобы иметь представление, какой ценой оплачивается повышение качества радиосвязи при переходе от менее помехоустойчивого сигнала к более помехоустойчивому.
Частотная эффективность оценивает полосу частот, необходимую для передачи данного вида сигнала с заданной скоростью (для дискретных сигналов), а энергетическая эффективность характеризует сигналы с точки зрения расхода энергетических ресурсов для передачи некоторого объема информации с заданной достоверностью.
В реальных каналах радиосвязи широко используются следующие виды дискретных сигналов:
частотно-манипулированные сигналы или сигналы одноканальной частотной телеграфии (ЧТ, F1) и двухканальной частотной телеграфии (ДЧТ, F6);
сигналы с относительной фазовой манипуляцией — относительной фазовой телеграфии (ОФТ, .F9);
амплитудно-манипулированные сигналы или сигналы амплитудной телеграфии (AT, А1);
широкополосные составные сигналы (ШСС), представляющие собой упорядоченную совокупность некоторого числа элементарных сигналов (ЧТ, ОФТ), каждый из которых несет ту же информацию, что и весь сигнал в целом, т. е. сигналы с информационной избыточностью.
Данные, полученные на основе теории помехоустойчивости приема сигналов, позволяют разместить приведенные выше сигналы в качественно снижающуюся последовательность, характеризующую достоверность приема при одинаковом отношении средних мощностей сигнала и помех: ШСС, ОФТ, ЧТ, ДЧТ, AT.
Оценка частотной эффективности сигналов приводит к перестановке в этой последовательности: ОФТ и AT, ЧТ, ДЧТ, ШСС.
Наконец, оценка энергетической эффективности сигналов дает такую последовательность: ОФТ, ЧТ и ДЧТ, AT (ШСС в этой последовательности в зависимости от их структуры могут занимать одно из первых мест).
Сопоставляя эти данные, легко заметить, что весьма выгодное положение занимают сигналы ОФТ. Их преимущество особенно проявляется в каналах с постоянными параметрами, т. е без замираний. При наличии замираний это преимущество хорошо реализуется лишь в высокоскоростных системах, так как вероятность ошибочного приема элемента сигнала зависит от соотношения между его длительностью и быстротой замираний. Теория помехоустойчивости показывает, что сигналы ОФТ занимают указанное в первой последовательности место, если скорость передачи составляет 300÷600 бод.
Среднее положение в приведенных последовательностях занимают сигналы ЧТ. Они оказываются наиболее приемлемыми для низкоскоростных (50÷100 бод) телеграфных линий и нашли наиболее широкое применение.
Сигналы ДЧТ, обеспечивающие увеличение пропускной способности радиолинии вдвое, обладают более низкими помехоустойчивостью и частотной эффективностью, чем ЧТ, и могут использоваться при достаточно большом превосходстве уровня сигнала над уровнем помех.
ШСС обладают наибольшей устойчивостью к сосредоточенным помехам и вместе с тем самой плохой частотной эффективностью. В условиях ограниченных частотных ресурсов они неприемлемы для передачи обширных потоков информации.
Сигналы AT для документируемого (буквопечатающего) приема в силу низкой помехоустойчивости непригодны. Однако этот вид сигналов (исторически первый вид дискретных сигналов и радиосигналов вообще) весьма выгоден для слуховых линий радиосвязи, так как слуховой прием отличается очень высокой помехоустойчивостью. Слуховой прием сигналов AT, передаваемых кодом Морзе со скоростью до 25 бод, возможен при превосходстве помех над сигналом на 6-12 дБ. Поэтому работа сигналами AT при слуховом приеме, несмотря на необходимость специальной подготовки операторов, предусматривается во всех современных радиостанциях.
Все виды телефонных (непрерывных) сигналов требуют более широких полос частот, чем телеграфные сигналы (кроме ШСС), т. е. они обладают низкой частотной эффективностью.
Статистика станционных помех в KB диапазоне показывает, что если из 10 выделенных частот 8÷9 оказываются пригодными для телеграфной связи, то для телефонной связи сигналами с наивыгоднейшей модуляцией пригодными будут лишь 3÷4 частоты. Уже это позволяет рекомендовать использовать телефонную радиосвязь в диапазоне KB только в тех случаях, когда это действительно необходимо.
Сравнительная оценка трех видов модуляции — амплитудной (AM, A3), однополосной (ОМ, A3j) и частотной (ЧМ, F3)—выдвигает на первое место сигналы ОМ. Сигналы ЧМ имеют с ОМ энергетическую эффективность одного порядка, но значительно уступают им в частотной эффективности, и тем больше, чем больше индекс модуляции (увеличение индекса улучшает помехоустойчивость). Поэтому использование сигналов ЧМ приемлемо лишь в диапазоне метровых волн.
Амплитудная модуляция изжила себя как энергетически невыгодная.
В интересах увеличения пропускной способности линий радиосвязи иногда прибегают к увеличению числа ее каналов: например, используют два и даже несколько телефонных каналов, в том числе уплотняемых телеграфными каналами.
Так как пиковая мощность передатчика радиоканала не может превосходить номинальную, то приходится учитывать пик-фактор многоканального сигнала. Если, например, число каналов равно двум, то пиковая мощность сигнала в каждом канале должна быть в четыре раза меньше пиковой мощности передатчика. В случае п уплотняющих каналов мощность сигнала в каждом из них должна быть уменьшена в п2 (если, конечно, не приняты специальные меры к уменьшению пик-фактора). Естественно, что качество радиосвязи по уплотняющему каналу при наличии помех может оказаться значительно хуже, чем при одноканальной связи.
Естественно теперь поставить вопрос о возможных путях повышения надежности радиосвязи.
Первый путь – это повышение энергетических соотношений в радиоканале, то есть увеличение в конечном счете мощности сигнала, подведенного совместно с помехами ко входу приемника (повышение мощности передатчика, применение передающих и приемных антенн с большим коэффициентом усиления, а приемников – с высокой чувствительностью).
Второй путь – это путь борьбы с замираниями. Наиболее распространенным способом является пространственно разнесенный прием сигналов (прием сигнала двумя или несколькими приемниками на разнесенные в пространстве антенны при автоматическом выборе сигнала с наибольшим уровнем). Кроме рассмотренного находит применение частотное разнесение сигнала, то есть передача его на нескольких частотах одним или несколькими передатчиками с различными способами выбора и сложения сигналов в точке приема.
Третий путь – применение динамической системы использующей группу частот, в которой переход с одной частоты на другую происходит мгновенно.
Дата добавления: 2015-07-14; просмотров: 248 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Высокочастотные шкафы | | | Вопрос 2. ТЕХНИКА РАДИОСВЯЗИ И ЕЕ КЛАССИФИКАЦИЯ |