Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации (1976) (1151855), страница 38
Текст из файла (страница 38)
При этом полагаем, что за время сеанса связи макроструктура среды не изменяется, а параметры излучаемого сигнала выбраны так, чтобы с частотными свойствами среды можно было не считаться. Следовательно, при таких допущениях случайные изменения уровня сигнала, приходящего на вход приемника, и его возможные искажения обусловлены только случайными изменениями микроструктуры среды. 5.2. УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛА В СРЕДАХ СО СЛУЧАЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ МИКРОСТРУКТУРОЙ Сложные и непрерывные изменения микроструктуры среды приводят к появлению в ней неоднородностей. Различают неоднородности двух типов: слоистые и глобулярные. Слоистые неоднородности возникают, если в среде появляются условия, при которых коэффициент преломления претерпевает скачок (в среде имеются протяженные участки с различными температурами или плотностями).
197 Глобулярные неоднородности являются результатом действия турбулентных процессов в среде. Под действием таких процессов в среде образуютея локальные неоднородности (зерна неоднородности или глобулы), в пределах которых коэффициент преломления несколько отличается от значений в окружающей среде. В общем случае форма возникающих неоднородностей произвольна, однако при построении упрощенных моделей среды часто принимают, что эти неоднородности имеют сферическую или эллипсоидальную форму.
Такие неоднородности непрерывно возникают, перемещаются и исчезают. Интенсивность этого процесса, размер образующихся неоднородностей и их количество в единице объема зависят от характера и интенсивности турбулентных процессов в среде. Важно отметить, чго подобные процессы существуют в любой среде и в ряде случаев 'могут оказывать заметное влияние на распространение сигналов. Распространение сигнала в среде с неоднородностями сопровождается процессами отражения и рассеивания его энергии этими неоднородностями *. В результате излученный сигнал, пройдя через среду, попадаетна~вход приемника по многим путям (лучам). Это явление называется миогопутевым распространением, или многолучевостью. Так как неоднородности среды, выполняющие роль элементарных «отражателейв или «рассеивателей» энергии сигнала, непрерывно и случайдым образом меняются, то время прохождения сигнала от передатчика к прйемнику по отдельным лучам различно и случайно.
Это приводит к тому, что сигнал на входе приемника представляет собой сумму отдельных колебаний, время прихода и амплитуды которых случайны. Интерференция таких составляющих является основной причиной флюктуаций параметров сигнала, принимаемого в условиях многолучевости. е Помимо отражения и рассеивания энергии сигнала неоднородностями, в самой среде происходит также поглощение его энергии.
П некоторых средах оно может быть значительным. Харамгер указанных процессов и их интенсивность существенно зависят от свойств среды, природы сигнала (электромагнитное излучение, акустические колебания и т. п.), несущей частоты сигнала и ширины его спектра, размеров неоднородностей и т. п. Рассмспрение затронутых вопросов является предметом теории распространения сигналов в различных средах.
196 Рассмотрим подробнее некоторые особенности и свойства многолучевого сигнала. Пусть передана посылка сигнала з»(1) =Ж(1), (5.2) где 8 — амплитуда посылки; индекс 1 относится к тому или иному передаваемому информационному символу х; (в двоичных системах, например, 1=! соответствует передаче символа х», а»=2 — передаче символа хз); 1»(1)— посылка единичной амплитуды, соответствующая выбранному виду манипуляции сигнала и передаваемому символу хь Так например, для бинарной противофазной ФМн <<жп (ме1+»г»). $0 для других 1, где т0 — длительность передаваемой посылки; О, если х»=хь »г» = в, если х»=х,. Нетрудно записать выражение 1»(1) и для любого другого вида манипуляции.
Функция 1»(1) отображает особенности конкретного вида манипуляции, В дальнейшем будем называть ее сигнальной функцией. В втой главе запись в виде (5.2) будет использоваться наиболее часто, так как она удобна при рассмотрении ряда вопросов. Такую запись можно рассматривать как частный случай представления сигнала с помощью комплексной огибающей (см. (7)). Принятый сигнал можно записать в виде в (1)=~з»»,(1)=ЯЗ»з(1)1»<1 — ч,з(1)], (5.4) в в где Й вЂ” число лучей; Б»ь(1) — огибающая 1-й посылки сигнала, принятого по л-му лучу; т,ь — запаздывание составляющей Ьго луча относительно момента начала излучения»-й посылки.
Динамический характер микроструктуры среды, проявляющийся в ее непрерывных случайных изменениях, приводит к случайным изменениям числа лучей, а также амплитуды и времени запаздывания каждой составляющей. Это, в свою очередь, вызывает случайные изменения многолучевого сигнала, которые проявляются в виде флюктуаций его амплитуды и времени запаздывания. 199 Таким образом, многолучевой сигнал необходимо рассматривать как некоторый случайный процесс. Ряд таких важных параметров микроструктуры, как средний размер неоднородностей, среднее число неоднородностей в единице объема среды (плотность неоднородностей), их средняя скорость перемещения в среде и т. п., полностью определяется состоянием и параметрами макроструктуры, которые остаются практически неизменными в течение длительных интервалов времени (от нескольких минут до нескольких часов и более).
Это дает основание считать, что на таких интервалах времени указанный случайный процесс стационарен. Для описания стационарных случайных процессов, которые используются в качестве математических моделей замираний сигналов в средах со случайно изменяющейся микроструктурой, вводят ряд характеристик и определений. Рассмотрим их и выясним влияние некоторых характеристик на передачу цифровой информации.
5.2.1. Время многолучееого растяжения сигнала Время запаздывания сигнала, пришедшего на вход приемника по лучу с номером я, можно представить в виде тоо = тоо+ Лтою (5.5) где тоо — среднее по всем лучам время запаздывания; Лтоо — случайное отклонение времени запаздывания по й-му лучу от среднего времени запаздывания тоо. Очевидно, что для величины Лт,о можно записать условие (5.6) ппп ат, атоо ~ шах ат,. Временем многолучевого растяжения сигнала тр называют величину (5.7) тр — — шах Лт,— ппп Ать Она характеризует разницу между максимальным и минимальным временем запаздывания при многолучевом распространении сигнала, 200 Непрерывные изменения микроструктуры среды приводят к тому, что величина Ьт,«может принимать любое значение внутри интервала многолучевого растяжения тр.
В этом случае говорят, что имеет место непрерывная (дисперсная) многолучевость. На распространение сигналов в средах со случайнымн параметрами существенное влияние могут также оказывать слоистые неоднородности и границы раздела сред с различающимися физическими свойствами (например„ «тропосфера — ионосфера», «тропосфера — земная по- и »«1»о Обласщь инт«рференции Рис. 5.3. верхность», «море — атмосфера» и т. п.). Влияние указанных факторов характеризуется сравнительно медленными случайными изменениями во времени и приводит к тому, что запаздывания по некоторым лучам сосредоточены в некоторых иеперекрывающнхся участках.
Таким образом, наряду с непрерывной многолучевостью может одновременно наблюдаться и днскретная многолучевость. Эффект многолучевого растяжения приводит к тому, что каждой переданной посылке сигнала длительностью т» на входе приемника соответствует посылка с длительностью, увеличенной на время растяжения тр. Такое растяжение длительности принимаемых посылок вызывает взаимное перекрытие принимаемых символов (межсимвольную интерференцию).
Сказанное поясняется рис. 5.3, где показаны огибающие нескольких переданных и принятых символов. Для удобства сопоставления огибающих среднее время запаздывания принятых символов условно взято равным нулю. Межсимвольная интерференция, появляющаяся при многолучевом распространении, может приводить к существенному ухудшению качественных показателей при 20! передаче цифровой информации, При использовании простых двоичных сигналов уменьшить влияние межсимвольных искажений можно, так увеличивая длительности посылки то, чтобы обеспечивалось условие то)) тр.
(5.8) В этом случае уменьшение энергии посылки при исключении перекрывающихся участков незначительно". Из (5.8) вытекает очень важное условие: Лт = 1/то« 1~тр, которое означает, что эффект многолучевого распространения в каналах со случайными параметрами может существенно ограничить скорость передачи. Время многолучевого растяжения сигнала зависит от ряда факторов (типа канала, протяженности линии связи, состояния среды, диаграмм направленности антенн и т. п.) и для разных линий может существенно различаться.
Например, в линиях дальней коротковолновой радиосвязи протяженностью от 1500 до 4000 км это время составляет от 1 до 3 мс. Для тропосферных и ионосферных линий связи характерно применение антенных устройств с большим коэффициентом направленного действия. Поэтому в таких линиях время многолучевого распространения значительно меньше, чем в коротковолновых линиях связи. В тропосферных линиях протяженностью от 500 до 1000 км это время составляет единицы микросекунд (до 5 мкс); в ионосферных линиях протяженностью вт 1000 до 3000 км — несколько десятков микросекунд (до 100 мкс).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
