Вопрос 1. ОСОБЕННОСТИ РАДИОКАНАЛА

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.

Загрузка...

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 s_х 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 F_s 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: P_Om = N_иск / N.

Осуществить связь дискретными сигналами заданного качества или с заданной достоверностью значит выполнить условие: Р_ош < P_{ош 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 = R_иск / R,, где R_иск — 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<А_доп. 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