книги / Оптимальные методы передачи сигналов по линиям радиосвязи

причём основной	импульс определяется формулой ux=f(t) для
* > 0 и «1 = 0 при	£<0, а эхо-импульс — формулой u2=Rf{t—т),

для t—т > 0 и «2=0 при t—т<0. В обоих случаях при отрицатель­ ном аргументе функция тождественно равна нулю. R обычно мень­ ше единицы и характеризует относительную интенсивность эхо-сиг­ нала.

При использовании принципа «инверсной ионосферы» снимае­ мое с выхода приёмника напряжение, с одной стороны, непосредст­ венно подводится к элементу сложения 2, а с другой — к началу ли­ нии задержки, нагруженной на согласованное сопротивление. Линия задержки снабжена несколькими отводами, которые, перемещаясь вдоль линии, позволяют снимать напряжения, сдвинутые по време­ ни относительно напряжения на выходе приёмного устройства. В цепь каждого отвода включён усилитель, позволяющий регулиро­ вать величину снимаемого напряжения и, во всяком случае, компен­ сирующий потери в линии задержки. Существенно, чтобы в цепи каждого отвода имелось бы приспособление, позволяющее менять фазу снимаемого напряжения. Снимаемые с отводов напряжения подводятся к элементу сложения, в котором осуществляется сумми­ рование всех напряжений.

Обозначим задержку для напряжения, снимаемого с первого от­ вода через А^ь для второго — через и т. д. Коэффициент усиле­ ния для напряжения, снимаемого с первого отвода, по отношению к началу линии задержки обозначим через А ь для второго — через А2 и т. д.

Тогда при наличии одного отвода в элемент сложения от выхода будет подводиться напряжение

« о = / ( 0 + Я/(*— *), а с первого отвода — напряжение

«1 = AJ (t— A к) -f AxRf (/— -с — А/ж). Суммарное напряжение составит

«о-1 = / ( 0 + Я/ (t— T) + A J { t - A tx) + AxRf (t — %— Aу .

Очевидно, если положить А х= —R, а Д ^=т [знак минус указы­ вает на то, что фаза снимаемого с первого отвода напряжения должна быть обратна фазе напряжения Rf{t—т)], то суммарное на­ пряжение будет определяться выражением

Если, как это обычно бывает, R< 1, то эхо-сигнал будет допол­ нительно ослаблен в отношении R и сдвинут по времени на 2т.

Если снимаемое со второго отвода напряжение обозначить через «2 = А2 f (t — А /,) + AJRf (t — *■— A к),

то суммарное напряжение (снимаемое с выхода приёмника и с пер­ вых двух отводов) при условии А\ ——R и Д^1= т представится фор­ мулой

«о-1-2 = /( 0 — Я2/ V — 2т) + A,f (t — Ак) + A2Rf (t — х —А /2).

— 61 —

Если подобрать также задержку и усиление так, чтобы A%=R2 и А^2 = 2 т , то суммарное напряжение представится формулой

«с-,-2 = / « + £ ¥ ( '- 3 ; ) .

Эхо-сигнал ослабится в ещё большей степени и сдвинется на время Зт.

Нетрудно составить рекуррентную формулу для суммарного на­

пряжения, снимаемого с п отводов:
«о-» = f W + ( - 1 ) ” Rn+' f l t - (п + 1) X].	(5.1)

о -

V

Полученная формула по­ казывает, что, если эхо-сиг­ нал меньше основного (/?< 1 ), то всегда можно так подобрать местоположения п отводов и так отрегулиро­

tвать снимаемые с них напря­ жения, чтобы эхо-сигнал

уменьшился до сколь угодно малой величины.

Если нужно ослабить эхо-сигнал в q раз по срав­ нению с основным сигналом, то число отводов может быть определено из соотно­ шения

Я

откуда

(л + l)lg# = — lg?

	t	и
Рис. 5.6		Ig<7 ___j	(5.2)
		lg
Если /?= 0,8 и нужно ослабить напряжение в 10 раз			(<7=10), то
достаточно взять
п = -------------	1 ^ 9	отводов.
-	0,1

Если /?=0,5, то при <7= 10 достаточно взять всего

п= —!------1 ^ 2 отвода. —0,3

— 62 —

Изложенное показывает, что искусственно введённая в приём­ ное устройство «многолучёвость» действительно позволяет скомпен­ сировать многолучёвость, создаваемую ионосферой.

На рис. 5.6 показана диаграмма напряжений, снимаемых с раз­ ных отводов, а также суммарное напряжение. Аналогичным обра­ зом можно осуществить компенсацию двух, трёх и большего числа эхо-сигналов. Рассматриваемая схема оказывается эффективной и в тех случаях, когда эхо-сигнал по своей амплитуде равен амплиту­ де основного сигнала или даже превышает её. Ограничимся рас­ смотрением случая R= 1. Принцип действия системы в этом слу­ чае заключается не в полной, а лишь в частичной компенсации эхосигнала, сдвинутого во времени на т.

При рассматриваемых условиях напряжение на выходе приём­ ника выражается формулой

« о = / « + / ( < — ') .

а напряжение, снимаемое с первого отвода, — формулой «1 = Ai/ (t - А А) + AJ{t — х — A tx).

Суммарное напряжение

«о- 1 = / W + / (* ■— t) + A J (t - А А) + Л / (t ~ А к - х).

Потребуем, чтобы на месте первого эхо-сигнала осталась часть основного напряжения. Тогда, если подобрать местоположе­ ние первого отвода так, чтобы A/i=x, а амплитуду напряжения на

этом отводе так, чтобы 1-Mi = —, откуда А \= —( \ ------^ = —-—

		Я			\	Я /	Я
то суммарное напряжение представится формулой
	• = / «	+ - ^ / ( < - * ) -		-чу - Н !	-	*)•
Напряжение, снимаемое со второго отвода,					выражается		фор­
мулой	ti2 — A2f (t — A12) -{- A2f {t— т— А /2)«
Потребуем, чтобы А^=2т, а
л	Я — 1	1	л	л	2	q — 2
А2— ---------------- , откуда			А2	= 1 ------- =		-------.	я
	Я	я				я

При этом условии суммарное напряжение, снимаемое с приём­ ника и с первых двух отводов, представится выражением

« „ _, = / «	+	—	/(<—	') -----~ / (* — 2х) +		я	Зх).
		Я		Я
Аналогично получим
«0-3 = / (0	+	—	f i t —	« ) - — f i t - * )	я		3 t ) . . . (5.3)
		Я		Я

до тех пор, пока снимаемое с последнего отвода напряжение не ока­ жется порядка 1 lq. Требуемое для этого числа отводов равно q.

— 63 —

Как видно из приведённого описания, принцип действия систе­ мы при /?=1 заключается в последовательном разбиении эхо-сиг­ нала на совокупность равных частей (разных полярностей) и рас­ пределении их во времени через интервалы т. Если нужно, чтобы остаточные импульсы не превосходили 0,1 основного импульса, то необходимо взять 10 отводов.

Работа системы поясняется диаграммой напряжений, представ­ ленной на рис. 5.7. Здесь приняты те же обозначения, что и на рис. 5.6.

z

Принцип частичной компенсации эхо-сигналов может быть с ус­ пехом применён и для рассмотренного раньше случая неравных амплитуд основного и эхо-сигнала. Соответствующая диаграмма на­ пряжений представлена на рис. 5.8. Понятно, что в этом случае тре­ буемое число отводов значительно меньше, чем необходимо для пол­ ной компенсации. Здесь приняты такие же обозначения, что и на рис. 5.6.

До сих пор предполагалось, что сложение сигналов осуществ­ ляется на выходе приёмного устройства, т. е. после детектирования.

— 64 —

С таким же, если не с большим успехом сложение сигналов можно производить по промежуточной частоте. При необходимости линию задержки и сложение сигналов можно осуществлять и в передаю­ щем устройстве.

В. описанном виде рассмотренная система подавления эхо-сиг­ налов не может найти применения вследствие изменчивости во вре­ мени состояния ионизованных слоёв, в частности высоты распо-

t

t

сН I

0+Н1, 7Г,[ 1'и*1L,ш . :

'21__ |

			А.		-
			77Г
	1-			рте
			2%
		_________ 32L_			I
					1
		1	1	5	с
			1
	0+1+Z-		С *	*	8
		f	Т Т Л —	Р 7 Я —

Z 2 I

•*

Z z

3 v

Рис. 5.8

ложения слоя F2. В силу этого непостоянства непрерывно изменяет­ ся время задержки эхо-сигналов и их относительная интенсивность. Это вынуждает непрерывно регулировать местоположение отводов и усиление в цепях отводов. Но для того, чтобы осуществлять эту регулировку, необходимо в каждый данный момент знать число при­ ходящих эхо-сигналов, их относительную интенсивность и время задержки. Сделать это можно путём периодического излучения пе­ редатчиком специальных зондирующих импульсов и наблюдения в месте приёма с помощью контрольного осциллографа с сннхро-

6—693

— 65 —

визированной системой развёртки числа, местоположения на линии развёртки и интенсивности принимаемых импульсов. Но даже рас­ полагая такой измерительной установкой, оператору будет очень трудно от руки устанавливать в нужные положения отводы и регу­ лировать усиление в цепях отводов. Очевидно, что современным требованиям к линиям радиосвязи может удовлетворять только такая система, в которой процесс управления линией задержки бу­ дет полностью автоматизирован. В подобной системе контрольное измерительное устройство должно вырабатывать сигналы, устанав­ ливающие отводы линии задержки в требуемые положения и регу­ лирующие должным образом усиление в цепях отводов.

Подобного рода системы несомненно могут быть технически осу­ ществлены.

5.4.СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ИМПУЛЬСЫ БЛИЖНЕГО ЭХА

ВКАЧЕСТВЕ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА

Всистемах радиотелеграфной связи, рассмотренных в предыду­

щем разделе, искусственно создавался режим, при котором вместозамираний в пункте приёма возникают эхо-сигналы, которые тем или иным образом затем подавляются. В конечном счёте в этих си­ стемах связь осуществляется в результате приёма одного импуль­ са, распространяющегося по кратчайшему пути и в значительной степени свободного от замираний.

В 1956 г. была предложена оригинальная система передачи те­ леграфных сигналов по кв линиям связи, которая в известном смыс­ ле является развитием и усовершенствованием способа передачи сигналов по методу «инверсной ионосферы». Эта система в амери­ канской технической литературе известна под названием «Рэйк» (Rake) [23], что означает в переводе «Грабли». Подобно тому, как грабли подбирают разбросанные по лугу клочки сена, в системе «Рэйк» основной и множество эхо-импульсов, на которые распадает­ ся в процессе распространения радиоволн излучаемый передатчи­ ком короткий импульс, в пункте приёма собираются вместе, согла­ совываются во времени и по фазе и после сложения образуют ре­ зультирующий сигнал. В отличие от системы «инверсная ионосфе­ ра», здесь эхо-импульсы не отбрасываются, не подавляются, а ис­ пользуются для формирования результирующего сигнала.

Общий принцип работы системы «Рэйк» пояснён на рис. 5.9, где на первой горизонтальной линии показан излучаемый передатчи­ ком одиночный импульс. На второй линии показана группа им­ пульсов, на которые распадается излучаемый импульс в процессе распространения. Здесь можно заметить три группы импульсов: А — основной сигнал, достигающий пункта приёма в результате однократного отражения от ионосферы, В — сигнал, претерпевший два, а С — три отражения от ионосферы. Как указывалось выше, из-за диффузного характера отражений («шероховатости» отра-

— 66 —

жающего слоя), а также явления магнито-ионного расщепления каждый сигнал может состоять, в свою очередь, из нескольких им­ пульсов, как это показано на рис. 5.9. На третьей линий показано, как путём искусственного введения запаздывания во времени все им­ пульсы, входящие в состав А, В и С, приводятся по времени к. мо­ менту приёма последнего импульса группы С и после надлежащей физировки складываются. Стрелками на рис. 5.9 показана схема

сдвига импульсов во времени.
Заметим,		что метод			«инверс­
ной ионосферы» эффективен в тех
случаях,	когда		лучи, претерпев­
шие разное число отражений, чёт­						i
ко выражены и не имеют тонкой
структуры.		Наоборот,			система
«Рэйк»	действует			достаточно
удовлетворительно и при диффуз­
ном характере			отражения, т. е.			2
когда отдельные лучи явно не вы-
деляются, а энергия принимаемо­
го сигнала «размазана» во всём
интервале от Л до С (рис. 5.9).
Система		«Рэйк»		относится к
категории линий связи, использу-
ющих частотную манипуляцию. В
качестве	«посылки»			и	«паузы»

применяются импульсы специаль­ ной и сложной формы общей длительностью 8,525 мсек, модулирую­

щие излучаемую передатчиком несущую частоту. О форме и струк­ туре этих импульсов будет сказано ниже. Частотный сдвиг при ма­ нипуляции составляет ±90,9 гц.

Очевидно, что, если ставится задача сложить приходящие в раз­ ные моменты времени импульсы (основной и эхо сигналы), то приёмное устройство должно обязательно содержать то или иное запоминающее устройство, с которого одновременно снимаются им­ пульсные напряжения для последующей фазировки и сложения. В приёмнике системы «Рэйк» роль такого запоминающего устройст­ ва выполняет линия задержки, вводящая запаздывание во времени в 3 мсек и снабжённая 30 равномерно расположенными фиксиро­ ванными отводами. Сдвиг во времени между смежными отводами составляет 0,1 мсек. Эти цифры уже дают первое представление о потенциальных возможностях рассматриваемой системы связи. 3 мсек — это максимальный сдвиг во времени между основным и последним эхо-сигналами. Как видно из изложенного в разделе 5.1, эта цифра больше времени задержки трёх- и четырёхкратно отра­ жающихся от ионосферы сигналов при распространении кв. Если в процессе распространения излучаемый передатчиком импульс пре­ терпевает диффузное рассеяние и распадается на 30 элементарных импульсов, каждый длительностью 0,1 мсек, то и в этом случае он

5*

— 67 —

может быть восстановлен в месте приёма в виде одного импульса длительностью 0,1 мсек.

Общий принцип действия системы поясняется рис. 5.10, на котором изображена весьма упрощённая блок-схема приёмника «Рэйк». После преобразователя помещена трёхмиллисекундная линия за­ держки, в которой как бы «запоминаются» все импульсы, поступив­

			шие		на вход		приёмного
М /			устройства в течение 3 мсек
			после		основного. В момент,
		Отводы	когда		ведущий импульс до­
			стигнет конца линии, эхо-им­
Ш	Н	- - I I I	пульсы будут			проходить че­
			рез		различные		элементы
Преобразо­	• •
ватель	Линия заверти		линии		задержки.		Положе­
			ния ведущего и эхо-импуль-
Рис. 5.10			сов	на линии		задержки в
			этот	момент		времени пока­

заны на рис. 5.10 точками. Задача заключается в том, чтобы имен­ но в этот момент времени суметь снять напряжение с соответству­ ющих отводов, сфазировать их; после чего сложить. В системе «Рэйк» это достигается с помощью подключённых к отводам 60 кор­ реляторов (30 — для «посылок» и 30 — для «пауз»). В принципе, здесь возможно применение и иных методов сложения напряжений, возникающих на отводах.

у	Фильтр„ П“
	Преобразователь		1 Выход
	УПЧ
			двоичных
	L	—И	сигналов
	Фильтр„0		Решающее
	Рис. 5.11		устройство

Обычно приёмные устройства, предназначенные для приёма ЧМ сигналов, строятся по блок-схеме, представленной на рис. 5.11. Здесь используется частотный дискриминатор, который можно уп­ рощённо представить в виде двух фильтров, один из которых на­ строен на частоту сигнала «посылки» (по промежуточной частоте), а второй — на частоту сигнала «паузы», т. е. «отсутствие посылки». После детектирования выпрямленные напряжения проходят по на­ грузке, с которой и снимается постоянное напряжение той или иной полярности.

Приёмник для частотно-манипулированных сигналов можно по­ строить и по другой схеме (рис. 5.12), отличительной особенностью которой является применение двух идентичных фильтров (в обоих

- $ 8 -

каналах), настроенных на общую частоту, но двух отдельных гете­ родинов.

При приёме частоты «посылки» fn напряжение разностной ча­

стоты А возникает только в верхнем канале приёмного устройства; вследствие чего на выходе образуется (после детектирования) по­ стоянное напряжение одной полярности. При приёме частоты пау-

ifn	М	Выход
h '
		I двоичных
	м	__JT сигналов
		Решающее
		устройство
	Рис. 5.12

зы /о колебания возникают в нижнем канале, и на выходе образует­ ся постоянное напряжение обратной полярности.

Схема рис. 5.11, конечно, является более простой (не требует­ ся второй высокостабильный гетеродин), и поэтому в обычных си-

.стемах частотной телеграфии применяется именно она. Вторая схе-

ма, хотя и сложнее первой,
однако	вполне		ей	эквива­	Ug jn'A
лентна;	она применяется в
системе «Рэйк».				интерес­
Схема		рис.	5.12		ut>
на ещё и тем, что она допус-
кает несколько иное и более					I
общее	толкование			происхо-	I______
дящих в ней процессов. Де-					Рис. 5.13
ло в том,		что	если два на­		напряжения частот /п и (fa — А)]
пряжения		[в данном случае

подводятся к смесителю, вслед за которым помещён узкополосный фильтр, то снимаемое с фильтра напряжение представляет собой величину, пропорциональную функции взаимной корреляции меж­ ду ними. Действительно, если ux{t) и «г(0 представляют собой два напряжения, то функция корреляции между ними может быть опре­

делена по формуле

________ т

# 12 = «1 (0 «2 (*) = Н т	(/) и2 (t) dt,	(5 .4)
г~“ о

т. е. путём вычисления их произведения и усреднения этого произ­ ведения во времени.

— 69

На рис. 5.13 показана обведённая пунктиром часть схемы рис. 5.12, содержащая смеситель и узкополосный фильтр.

Ко входу смесителя, который в данном случае выполняет функ­ цию умножителя, последовательно подводятся напряжение прини­ маемого сигнала щ и напряжение, создаваемое местным генерато­

ром «посылка» и2:
«i = /i(0cos2«/„f,	(5.5)
«2 = /2 (0 cos [2* (/п — А)/],	(5.6)

где первые множители характеризуют форму огибающей радиоим­ пульса, а вторые — высокочастотное заполнение. Множители f\(t) и f2(t) могут, в частности, характеризовать прямоугольные импульсы или импульсы другой более сложной формы.

Подводимое к смесителю суммарное напряжение	может быть
представлено формулой
и ох — u i "Ь м2-	(5.7)

Функция передачи смесителя имеет вид полинома, в котором для дальнейшего представляет интерес только квадратичный член

и оых = • • • А и\ х “Ь • ♦ •

(5*8)

Подставляя в (5.8) выражения (5.6) и (5.5) и удерживая в по­ лучившейся формуле член, содержащий произведение напряжений щ и и2, получаем

и в и х = • •	• 2ЛД (/) /а (t) cos 2тс f at- cos [2* (Jn— Д) t].		(5.9)
Полученная формула показывает, что смеситель действительно
выполняет функцию умножителя.
Последнее выражение можно представить также в виде
и , н х =	•	• • ЛЛЮЛЮсо8[2*(2/п—Л)*1 +
	+	Ah (t) /а (t) cos 2тгД t + . . .	(5.10)

Поскольку в схеме, представленной на рис. 5.13, вслед за сме­ сителем помещён узкополосный фильтр, настроенный на частоту Д, то в выражении (5.10) представляет интерес только второе сла­ гаемое.

Однако для того, чтобы определить напряжение на выходе уз­ кополосного фильтра, настроенного на частоту Д, необходимо опре­ делить спектральную плотность всего выражения и вых’ = A fx(t) f2(t)

cos 2 л At, которое можно представить в комплексном виде

и.ш = Ah (/) f t (/) е12”1' .

(5.10а)

Это необходимо сделать вследствие того, что форма импульсов fi(t) и f2 (t) также влияет на вид частотного спектра.

— 70 —