5.3 Некогерентные системы

В некогерентной СПИ могут использоваться лишь АМ или ЧМ, поэтому в такой системе невыгодно применять многопозиционные методы передачи. В связи с неопределенностью начальной фазы ожидаемого импульса во время приема не имеет смысла понятие разностного сигнала. Оптимальным способом предварительной обработки сигнала с белым шумом и в этом случае является корреляционный прием, но необходимо использовать два (для АМ) или четыре (для ЧМ) параллельно включенных приемника. Каждая пара приемников настроена на прием двух квадратурных составляющих импульса определенного вида, поэтому в ней используются опорные колебания соответствующей несущей частоты, но сдвинутые по фазе на 90° (напомним, что при АМ лишь один из двух символов является импульсом, а второй – это пауза, поэтому нужна лишь одна пара приемников).

Н а рис. 5.4 приведена функциональная схема демодулятора некогерентного сигнала с ЧМ, причем фазовые детекторы играют роль перемножителей высокочастотного входного сигнала и гармонического опорного колебания, а RC-цепь с постоянной времени, намного превышающей длительность импульса входного сигнала, выполняет функции интегратора (см. формулу (2.27)). Компаратор выносит решение “передан символ 0”, если в момент окончания импульса напряжение на выходе верхнего сумматора оказалось больше, чем на выходе нижнего.

Обратите внимание, что на схеме нужно было бы показать цепи, по которым подаются тактовые импульсы, задающие моменты срабатывания компаратора и осуществляющие обнуление интегрирующей цепочки непосредственно перед началом каждого импульса.

Вероятность ошибки при демодуляции двоичного импульса (BER) минимальна при заданной величине q_c, когда передается один из двух ортогональных сигналов равных энергий, например, с ЧМ, и определяется формулой

.

(5.18)

Видно, что и в некогерентной СПИ вероятность ошибки определяется величиной энергии принимаемого импульса по отношению к спектральной плотности шума. Эта зависимость также представлена на рис. 5.2, чтобы можно было сравнить качество передачи сигнала в когерентной и некогерентной системах при прочих равных условиях.

Как и следовало ожидать (см. разд. 5.1), BER в когерентной системе всегда меньше чем в некогерентной. При приеме сильного сигнала (величина BER мала, нижняя штриховая прямая на рис. 5.2), чтобы в некогерентной системе обеспечить то же значение BER, которое достигается в когерентной СПИ, нужно лишь немного увеличить мощность передатчика – на единицы и даже доли децибела (напомним, что в децибелах по формуле 10∙lg(E₁/E₂) выражается отношение энергий или мощностей двух сигналов). При приеме очень слабого сигнала это отношение возрастает до единиц и десятков децибел, то есть именно в этих условиях преимущество когерентной СПИ особенно ощутимо. Отметим, кстати, что в нормальных условиях функционирования СПИ величина q_c обычно превышает 10-15 дБ.

5.4 Частично-когерентные системы

В частично-когерентной системе оптимальный демодулятор должен выполнять те же операции (5.3) и (5.4), но текущая фаза генератора опорного колебания w(t) подстраивается под изменения этого параметра в принимаемом сигнале при помощи системы ФАПЧ. Схема такого генератора для СПИ с АМ или ЧМ представлена на рис. 5.5, где обозначено: ФД – фазовый детектор; ФНЧ – фильтр нижних частот; ГУН – генератор, управляемый напряжением. Это простейшая система автоматического регулирования. В ней при рассогласовании фазы генератора относительно входного сигнала в ту или другую сторону на выходе ФД появляется напряжение соответствующего знака. Оно воздействует на частоту и, следовательно, фазу генератора. Фильтр НЧ, у которого частота среза во много раз меньше частоты повторения импульсов, служит для сглаживания флуктуаций управляющего напряжения, обусловленных шумом.

Е сли в СПИ для каждого из возможных сигналов имеется противоположный сигнал (однократная или многократная ФМ либо ОФМ, КАМ), такой генератор работать не будет, так как в процессе фильтрации в ФНЧ эти сигналы, появляясь в среднем одинаково часто, практически уничтожают друг друга (в спектре каждого из таких сигналов отсутствует составляющая несущей частоты).

По этой причине в частично-когерентной системе перечисленные методы модуляции применяются лишь в относительной форме. Это позволяет проводить ФАПЧ не на самой несущей частоте, а на одной из ее гармоник.

В частности, в двоичной СПИ с ОФМ подстройку генератора следует проводить на удвоенной несущей частоте (рис. 5.6). При удвоении частоты начальная фаза каждого из импульсов также удваивается, в итоге на выходе получается непрерывное колебание, что обеспечивает устойчивую работу цепи ФАПЧ с высокой точностью.

Тем не менее, применять ФМ в такой системе не следует, поскольку формируемое опорное колебание все-таки обладает некоторой неопределенностью. Классический тип делителя частоты – это счетный триггер. В зависимости от случайного начального состояния этого триггера на его выходе формируется одна из двух противоположных последовательностей. В итоге, хотя и обеспечивается хорошая взаимная когерентность колебаний w(t) и колебаний принимаемого сигнала, но w(t) может быть либо синфазна, либо противофазна по отношению к сигналу. В первом случае сигнал с ФМ принимается нормально, во втором случае все символы на выходе демодулятора изменяются на обратные. Это явление называется обратной работой детектора. Конечно, можно было бы периодически передавать какую-нибудь настроечную последовательность символов, чтобы определять, в котором из двух режимов находится демодулятор, но, как показала практика, намного проще и надежнее применять ОФМ.

Тогда устройство, выносящее решение по каждому принимаемому импульсу в соответствии с (5.4) так, как будто бы принимается ФМ-сигнал, должно быть дополнено схемой, сравнивающей решения, вынесенные по каждым двум соседним импульсам. Такая схема состоит из ячейки сдвига и сумматора по модулю 2 (рис. 5.7) и одинаково хорошо работает как при прямой, так и при обратной работе демодулятора (5.4). Описанный способ демодуляции сигнала с ОФМ называется когерентным.

В ероятность ошибки на первом этапе p_ФМ, описываемом выражением (5.4), определяется формулой (5.13). Ошибка на втором этапе (рис. 5.7) произойдет в одном из двух случаев:

1) на первом этапе при демодуляции первого из двух импульсов произошла ошибка, второй импульс принят правильно;

2) первый импульс принят правильно, второй – с ошибкой.

В итоге битовая вероятность ошибки при демодуляции сигнала с ОФМ равна

.

(5.19)

На практике обычно q>>1, откуда , поэтому

,

(5.20)

то есть BER в частично- когерентной СПИ с ОФМ всего лишь в два раза больше чем BER в идеальной, когерентной СПИ с ФМ. Этим объясняется столь широкое использование ОФМ и когерентного метода приема таких сигналов.

Существует также некогерентный метод демодуляции сигнала с ОФМ. Для реализации этого метода на фазовый детектор приемника, рассчитанного на демодуляцию ФМ-сигналов и, следовательно, работающего в соответствии с (5.3) и (5.4), подается в качестве опорного колебания w(t) предыдущий принятый радиоимпульс. Его можно получить с выхода линии задержки.

Битовую вероятность ошибки можно вычислить по формуле (5.18), но величину q_c следует удвоить, так как решение выносится после приема составного сигнала, содержащего два импульса. Здесь величина BER больше, чем при использовании когерентного метода приема, так как опорное колебание кроме составляющей, когерентной с полезным принимаемым сигналом, содержит также шумовую составляющую. Эта разница тем больше, чем меньше отношение сигнал/шум.

При использовании многопозиционных методов модуляции, кроме АМ и ЧМ, необходимо проводить ФАПЧ опорного генератора на гармониках несущей частоты более высокого порядка. Так, в СПИ с двукратной ФМ или с КАМ генератор подстраивается по четвертой гармонике, а для трехкратной ФМ нужно перейти на восьмую гармонику.

В заключение отметим интересную особенность СПИ, использующих относительные методы манипуляции в любой форме. Это – парное группирование ошибок, то есть при увеличении отношения сигнал/шум возрастает относительная доля ошибок, поражающих два соседних символа, по сравнению с одиночными ошибками. Это свойство нужно учитывать при выборе корректирующего кода. Например, код с проверкой на четность не будет замечать такие ошибки, если внутри кодовой комбинации окажутся оба символа пары, что весьма вероятно при использовании длинных комбинаций.