Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации (1976) (1151855), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Исследование подобных каналов представляет большое самостоятельное направление. Интересующихся отсылаем к специальной литературе 141. группы: 1) каналы с прямой волной; 2) каналы с отраженно-рассеянной волной. В каналах первой группы существует геометрическая видимость между передатчиком и приемником и сигнал распространяется в условиях случайных изменений параметров среды. Примером подобных каналов являются наземные каналы оптической связи, гидроакустические каналы и т. п. В каналах второй группы геометрическая видимость между передатчиком и приемником отсутствует и связь обеспечивается при использовании некоторых свойств неидеальных сред рассеивать и переизлучать энергию сигнала.
Принимаемый сигнал в таких каналах являет- Рвс. в.п ся результатом переизлучения и рассеяния переданного сигнала некоторым объемом среды (рис. 5.1.). Каналы этой группы являются типичными каналами со случайными параметрами. Каналы первой группы занимают промежуточное положение между каналами с постоянными параметрами и каналами второй группы. В зависимости от условий работы и параметров линии связи (состояния среды, дальности связи, характеристик антенн и т.
п.) эти каналы иногда ближе к каналам с постоянными параметрами, а иногда — к типичным каналам со случайными параметрами. Причиной случайного изменения параметров канала связи может быть действие целого ряда изменяющихся факторов (температуры, давления, плотности среды, наличия различных примесей и включений и т.
п.). Под влиянием этих 'факторов в среде распространения происходят очень сложные физико-химические процессы, в результате которых ее структура и характеристики претерпевают непрерывные случайные изменения, 192 Для удобства исследований в теории распространения сигналов принято различать макро- и микроструктуру среды (6, 7]. Макроструктура отражает основные (глобальные) особенности строения среды и ее физические свойства, обусловленные некоторыми постоянно действующими факторами.
Макроструктура среды и ее свойства меняются под действием метеорологических условий, а также суточных, сезонных и годовых изменений температуры. Изменения макроструктуры во времени протекают довольно медленно, и их средний период может составлять десятки минут и более.
Микроструктура отражает местные (локальные) особенности строения среды, обусловленные действием некоторых случайных факторов. К их числу относятся сложные вихревые (турбулентные) процессы, протекающие в среде, а также различные физико-химические превращения, происходящие в отдельных участках среды. Изменения микроструктуры могут происходить за время, составляющее доли секунды.
Изменения струкгуры среды и ее свойств оказывают существенное влияние на процесс распространения сигналов и приводят к случайным изменениям уровня сигнала, поступающего на вход приемника. При определенных условиях диапазон изменений уровня сигнала оказывается значительным, т. е, сигнал на входе испытывает глубокие замирания. В механизме замирания сигналов различают две составляющие: одна из них обусловлена весьма медленными изменениями макроструктуры среды, а другая— сравнительно быстрыми изменениями микроструктуры. Прием сигналов в каналах со случайными параметрами представляет собой значительно более сложную задачу, чем прием в каналах с постоянными параметрами, так как наряду с влиянием аддитивных помех на качество передачи информации существенное влияние оказывает явление замирания сигналов.
Замирания приводят к тому, что на некоторых интервалах времени уровень принимаемого сигнала становится соизмеримым с уровнем аддитивных помех (или даже меньше этого уровня). В результате достоверность принятой информации резко ухудшается, а скорость передачи падает. При исследовании вопросов приема информации в каналах со случайными параметрами полезна модель И ч76 Щ среды распространения. Такая модель может быть построена на основе рассмотренной выше качественной картины распространения сигналов в каналах со случайными параметрами.
Несмотря на многообразие возможных сред распространения все они в первом приближении могут считаться линейными, т. е. сигнал в любой точке среды является линейной функцией возмущения (излученного сигнала). Это означает, что принятый сигнал з„(1) можно рассматривать как эффект на выходе некоторого линейного фильтра, на входе которого действует излученный сигнал з„и(1). ~ гнГГ.т Г Ьэо Гтт ттоглоитение сигнала Фл онлтуииии сигнттл т услаоление сигнала орели рислрослтринени и согнали Рис.
$.2. Чтобы линейная трактовка среды распространения сигналов была удобна для широкого класса каналов связи различной физической природы, целесообразно предстагвить модель среды в виде трех последовательно соединенных пассивных линейных четырехполюсников (рис. 5.2), учитывающих разные стороны процесса распространения. Первый четырехполюсник определяет ослабление вйгвала при свободном распространении в идеальной среде. Его можно рассматривать как последовательное воединение ослабнтеля (аттенюатора) и линейного фильтра с равномерной частотной и линейной фазовой характеристиками на всех частотах. Ослабление сигнала в идеальной среде зависит только от геометрии распространения (дальности связи и характеристик приемной и передающей антенн).
Величина этого ослабления может быть легко рассчитана по известной формуле дальности связи. Форма сигнала на выходе первого четырехполюсника остается такой же, как и на его входе, меняется только уровень этого сигнала. Второй четырехполюсник отражает специфические особенности и физические свойства конкретной среды распространения. Он учитывает потери энергии сигнала в среде, связанные с поглощением, зависимость этих 194 потерь от частоты, а также медленные изменения структуры и свойств среды во времени и пространстве. Иными словами, второй четырехполюсник учитывает особенности макроструктуры среды и ее изменения.
В результате этих изменений уровень сигнала на выходе второго четырехполюсника испытывает медленные замирания, которые наблюдаются на достаточно длительных интервалах времени (десяткн минут и более). Эти замирания во многих случаях довольно хорошо можно аппроксимировать логарифмически нормальным законом 'г'2кю (зс — а) 1 2а' Я7(8,)=0, Я,~а, где 5„— случайное значение огибающей замирающего сигнала; 8„— среднее значение огибающей 5; оз — дисперсия; а — параметр, зависящий от свойств среды.
Необходимо отметить, что во многих каналах ео случайными параметрами указанные замирания не приводят к значительным отклонениям огибающей сигнала от ее средних значений. Исключение составляют лишь некоторые каналы (например, каналы связи на коротких волнах, гидроакустические каналы значительной протяженности) . Характерной особенностью работы ряда систем 'связи в условиях медленных замираний сигнала является то, что за время сеанса связи состояпие канала почти не меняется.
Однако для разных сеансов связи это состояние может быть различным, меняясь от сеанса к сеансу случайным образом. Это означает, что медленные изменения макроструктуры среды делают условия работы линии связи нестационарными. При фиксированной структуре системы связи и неизменных ее параметрах (ширине полосы пропускания, коэффициенте шума приемника, направленности антенн и т. п.) уменьшить вредное влияние медленных замираний можно увеличивая мощности излучаемого сигнала. При этом мощность передатчика проектируемой системы связи заранее выбирается с запасом, который учитывает возможность таких замираний (системный запас).
Трудности, возникающие из-за длительного ухудшения состояния канала, можно также преодолеть с помощью адаптивных систем, параметры которых меняют1Зф 195 ся в процессе передачи в соответствии с изменениями условий в канале. Как правило, при уменьшении отношения сигнал/помеха процесс адаптации сводится к снижению скорости передачи увеличением длительности посылок сигнала и соответствующим уменьшением полосы пропускания приемника.
Подобный метод адаптации находит широкое применение не только в каналах со случайными параметрами, но и в динамических гауссовых каналах, когда отношение сигнал/помеха падает при увеличении расстояния между передатчиком и приемником при движении объектов, образующих линию связи (характерным примером здесь является линия дальней космической связи). Другим методом адаптации, позволяющим ослабить влияние длительных ухудшений сос1ояния канала, является смена рабочей частоты в соответствии с прогнозом возможного состояния канала во время сеанса связи.
Прогнозирование условий распространения сигналов осуществляется на основе накопленных априорных сведений о данных каналах. Такой метод находит широкое применение на линиях дальней коротковолновой радиосвязи, а также на тропосферных и ионосферных линиях связи. Помимо медленных замираний, второй четырехполюсник должен учитывать зависимость поглощения энергии сигнала от частоты.
В результате этой зависимости сигнал на выходе второго четырехполюсника будет искажаться по форме, поскольку его спбктр отличается от спектра сигнала на входе. Таким образом, в общем случае второй четырехполюсник нужно рассматривать как фильтр со случайными и медленно меняющимися частотно-зависимыми характеристиками. Для ряда каналов частотная зависимость характеристик среды проявляется неззачительно, и в первом приближении с нею можно не считаться. К таким каналам можно отнести тропосферные (в них указанная зависимость практически не проявляется), ионосферные и метеорные.
В некоторых каналах частотно-зависимые свойства среды могут быть заметно выраженными (например, в оптических наземных линиях связи, в гидроакустических каналах). Они имеют существенное значение при решении вопросов выбора формы сигнала способа приема и т. п. Затронутые выше важные вопросы приема сигналов 196 в каналах с частотно-зависимыми характеристиками и медленно изменяющимися условиями распространения представляют отдельную большую проблему и выходят за рамки данного пособия. Третий четырехполюсннк в упрощенной модели учитывает сравнительно быстрые случайные изменения микроструктуры среды, которые приводят к соответствующим замираниям сигнала на входе приемника. Трактовка среды распространения сигналов как линейного фильтра со случайными переменными параметрами в настоящее время широко распространена 11, 2, 5, 81, а представление среды в виде последовательного соединения четырехполюсников, учитывающих ее различные характерные особенности, является полезной моделью при исследовании различных вопросов передачи информации в каналах со случайными параметрами [9$ Основное внимание в этой главе уделено вопросам приема простых двоичных сигналов с учетом влияния микроструктуры среды и действия аддитивных помех типа гауссовских шумов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
