Г.Б.Белоцерковский
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ И АНТЕННЫ"
часть I, "Основы радиотехники"
М.; "Советское радио", 1969г.

ГЛАВА X

НЕЛИНЕЙНЫЕ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ. БОРЬБА С ПОМЕХАМИ

69. 

Методы повышения помехоустойчивости

Общие сведения. Помехи маскируют сигнал. Это затрудняет обнаружение сигнала и выявление информации. Отсюда важнейшим показателем системы связи является ее помехоустойчивость, под которой понимают способность системы противостоять мешающему действию помех.

Помехоустойчивость основывается на различии между сигналом и помехой. При построении системы связи нужно учитывать возможные помехи и предельно использовать различие между ними и сигналом.

Какие-то сведения о сигнале всегда имеются у получателя информации, например данные о несущей частоте, виде модуляции и др. Эти сведения избыточные, поскольку увеличивают объем сигнала

(28)

Тем не менее, избыточная информация часто оказывается полезной, так как позволяет использовать повышенный объем сигнала для улучшения помехоустойчивости. Формула (28) подсказывает некоторые пути в этом направлении.

Один из них - увеличение Hc , т.е. отношения средней мощности сигнала Pc к средней мощности помех PП . Этот способ требует увеличения мощности передатчика, направленности антенн, а также подавления помех в источнике их возникновения.

Второе направление - расширение спектра сигнала Fмакс. Оно реализуется в процессе нелинейной обработки сигналов (модуляции и детектирования) и требует применения широкополосной системы модуляции.

Различие в спектрах сигнала и помехи позволяет увеличить отношение сигнал/помеха методом фильтрации. Эффективность этого метода повышается с сужением спектра сигнала, особенно на фоне широкополосной помехи.

Третье направление - увеличение длительности наблюдения сигнала Tc. Это направление, в частности, используется в методе накопления.

Существенно, что любой из упомянутых методов связан с некоторыми "жертвами": повышение мощности сигнала требует дополнительных затрат энергии в передатчике и увеличения габаритов и веса аппаратуры; расширение спектра сигнала ограничивает число одновременно работающих станций в данном диапазоне волн; увеличение длительности сигнала ограничивает количество информации, которое за данный отрезок времени может быть передано по линии связи.

Переход от АМ к ЧМ как средство повышения помехоустойчивости. Имеются немодулированные сигнал с амплитудой Ucm и частотой f0 и помеха с меньшей амплитудой UПm и частотой fП (рис. 10.20). Когда fП>f0, вектор помехи вращается против часовой стрелки быстрее, чем вектор сигнала, а когда fП<f0, вектор помехи вращается медленнее в том же направлении. Если вектор Ucm представить неподвижным (для этого плоскость рисунка мысленно вращаем вокруг точки O по часовой стрелке с частотой ), то вектор помехи опишет окружность вокруг точки O', ставшей неподвижной, и вектор результирующего напряжения Upm будет качаться вокруг точки O.

Рис. 10.20. Векторная диаграмма напряжений сигнала и помех.

В процессе качания изменяются длина и направление вектора Upm. Для иллюстрации этого на рис.10.20 показано, что при результирующее напряжение больше напряжения сигнала Ucm и вместе с тем Upm опережает Ucm на угол по фазе; когда же , результирующее напряжение еще больше по амплитуде ( ), но от сигнала отстает по фазе на угол . Предельные значения амплитуды результирующего напряжения OA и OB отличаются от амплитуды сигнала на величину помехи O'B = AO' = UПm, а предельное отклонение фазового угла, вызванное помехой, равно

 

Из этого следует, что помеха вызывает паразитную амплитудную и угловую модуляцию сигнала и этим искажает его.

Приемник АМ сигналов, точнее его амплитудный детектор, реагирует на отклонение амплитуды. Если коэффициент амплитудной модуляции m = 1, то приращение амплитуды, вызванное полезным сигналом, , и для такого приемника отношение сигнал/помеха равно по напряжению Ucm /UПm, а по мощности (Ucm /UПm )2. Значит, при амплитудной модуляции непрерывных колебаний единственное средство повышения помехоустойчивости - увеличение мощности передатчика.

Приемник ЧМ сигналов содержит ограничитель амплитуды и вместо амплитудного детектора - частотный детектор. Ограничитель "срезает" все отклонения амплитуды напряжения, вызванные помехами, и частотный детектор реагирует только на отклонения фазового угла. Так как помеха изменяет этот угол до величины , а фаза ЧМ сигнала отклоняется до величины, равной индексу модуляции M, то при ЧМ отношение сигнал/помеха равно по напряжению и по мощности.

В случае слабой помехи ( ) имеем:

 

и

 

Отсюда находим отношение мощностей сигнала и помехи на выходе ЧМ приемника:

 

В то же время на выходе АМ приемника это отношение равно

 

т.е. при переходе от АМ к ЧМ отношение сигнал/помеха возрастает в M2. Если, например, девиация частоты =100кГц и частота Fмакс=5кГц, то M=100/5=20 и выигрыш в помехоустойчивости оказывается равным M2=202=400.

Вспоминая, что индекс модуляции M прямо пропорционален девиации частоты, убеждаемся, что расширение спектра сигнала, связанное с переходом от АМ к ЧМ, эквивалентно увеличению мощности передатчика.

Это не единственное преимущество частотной модуляции. В отличие от АМ сигналов, ЧМ сигналы имеют постоянную амплитуду. Благодаря этому мощность и к.п.д. ЧМ передатчиков не изменяются во времени и неизменно находятся на максимальном уровне. Кроме того, колебательная мощность ЧМ передатчика используется более рационально, чем АМ передатчика, так как в спектре ЧМ сигнала несущее колебание выражено слабее, а полезные колебания боковых частот - сильнее, чем в АМ сигнале.

Помехоустойчивость кодово-импульсной модуляции (КИМ). Применение кодово-импульсной модуляции для передачи по дискретному каналу связи непрерывных сообщений описано в §10. Напомним, что КИМ заключается в дискретизации сообщения через равные

интервалы времени

и последующем квантовании их до ближайших целых

значений. Число уровней квантования равно числу возможных кодовых групп N, в каждой из которых имеется n символов, и так как на каждый символ приходится один импульс и пауза, то N=2n, а n=log2 N. Имея также в виду, что длительность одной кодовой группы равна
=1/(2Fмакс ), находим длительность импульса:

 

Для воспроизведения последовательности таких импульсов требуется полоса пропускания

 

тогда как при АМ спектральная полоса равна 2Fмакс.

Убедимся, что это расширение спектра (в log2 N) дает выигрыш в помехоустойчивости.

В схеме КИМ предусмотрен ограничитель амплитуды, срезающий помехи, уровень которых не превышает половины шага квантования (/2), и если шаг выбран с учетом возможных помех, то они не мешают декодированию импульсов в приемнике. Вместе с тем, так как мгновенные значения сигнала в процессе квантования округляются, возникают погрешности, которые достигают в максимуме ±½. Эти флуктуации вызывают в приемнике непрерывный шум, называемый шумом квантования.

Отношение сигнал/шум для КИМ равно квадрату отношения максимального напряжения сигнала (N - 1)· = (2n - 1)· к максимальному напряжению шумов квантования, т.е.

 

В примере, приведенном в §10, значность кода n = 3, и это отношение равно (23 - 1)2 = 49.

Таким образом, КИМ относится к помехоустойчивым видам модуляции, особенно если в ней используется много уровней квантования. Это еще раз доказывает эффективность расширения полосы пропускания канала связи как средства повышения помехоустойчивости.

Методы фильтрации и накопления. Прямоугольная амплитудно-частотная характеристика полностью отвечает требованиям фильтрации помех, спектр которых не перекрывается спектром принимаемого сигнала. При построении фильтра учитывают также и форму сигнала, и структуру помехи, и конкретную задачу, решаемую данной цепью. Например, если требуется только обнаружить сигнал, то сохранение его формы несущественно и оптимальным считается такой фильтр, который обеспечивает максимальное отношение сигнал/помеха на выходе фильтра.

На рис.10.21,а показана спектральная диаграмма входного сигнала с плотностью Sc, который принимается на фоне белого шума с равномерной плотностью SП. При такой помехе оптимальный фильтр имеет амплитудно-частотную характеристику K = Ф(f), совпадающую по форме со спектром сигнала (рис.10.21,б). В выходном спектре (рис.10.21,в), спектральная плотность которого Sвых получается перемножением Sc+П и K, отношение сигнал/помеха оказывается максимальным, так как оптимальный фильтр ослабляет гармонические составляющие тем больше, чем слабее они выражены во входном сигнале.

Рис. 10.21. Графики, иллюстрирующие преобразование спектра сигнала и помехи оптимальным фильтром.

Допустим, что оптимальный фильтр рассчитан на фильтрацию импульса, имеющего длительность и ширину спектра , от белого шума, в котором на каждый герц полосы пропускания приходится мощность GП. Очевидно, что фильтр должен иметь полосу пропускания, равную ширине спектра сигнала , и тогда мощность помех на выходе фильтра равна

 

а отношение сигнал/помеха

 

Значит, оптимальный фильтр тем эффективнее, чем больше длительность импульсного сигнала и меньше ширина его спектра. Это иллюстрирует возможность повышения помехоустойчивости за счет увеличения длительности сигнала.

При методе накопления сигнал периодически повторяется и энергия его, равно как и помех, накапливается в конденсаторе, потенциалоскопе или другом элементе, специально вводимом в радиоприемное устройство.

Рис. 10.22. Форма радиотелеграфного сигнала, искаженного флуктуационной помехой.

Пусть на сигнал, допустим радиотелеграфный, накладываются флуктуационные помехи (рис.10.22). Напряжения сигнала uc и помех uП суммируются в накопителе неодинаково: если сигнал повторяется n раз, то напряжение его uc возрастает в n раз, а мощность сигнала - в n2 раз; что касается помехи, то она не отличается периодичностью, ее амплитуда и фаза изменяются во времени беспорядочно, и поэтому напряжение uП накапливается медленнее, чем uc. Можно доказать, что напряжение помех увеличивается в , а мощность помех - в раз, т.е. отношение сигнал/помеха повышается в итоге накопления в n2/n = n раз.

Итак, путем многократного повторения сигнала, т.е. увеличения объема сигнала за счет длительности наблюдения его Tc, можно значительно повысить помехоустойчивость системы связи.

В этой главе:
62. Амплитудная модуляция
63. Детектирование АМ сигналов
64. Преобразование частоты
65. Общие сведения о параметрических системах
66. Синхронный детектор
67. Параметрический генератор
68. Радиопомехи
69. Методы повышения помехоустойчивости
ВСЕГДА ВЫРУЧИТ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО от одной батарейки!

Вы не останетесь без связи в самый нужный момент - в качестве источника энергии выступит обычная батарейка типа АА...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru