12.2. Виды рабочих характеристик рэс различного назначения

Как отмечалось ранее, рабочая характеристика конкретного РЭС представляет зависимость параметра, характеризующего качество работы РЭС в соответствии с функциональным назначением, от отношения сигнал/помеха. Рассмотрим некоторые характеристики, которые используются для оценки качества работы реальных систем и на основе которых определяют защитные отношения.

Аналоговые системы.

Системы радиосвязи.

Радиовещание и телефония. Качество работы аналоговой системы, используемой для приема речевой информации, оценивают показателем разборчивости (AS) и/или индексом артикуляции (AI). Соответственно, зависимости AS(S/I) или AI(S/I) являются рабочими характеристиками телефонных систем радиосвязи. Обе характеристики связывают разборчивость речи с отношением сигнал/помеха.

Показатель разборчивости (AS) определяется процентом правильно принятых слов от общего числа слов в передаче.

Измерение показателя разборчивости выполняют, привлекая группу экспертов. В процессе измерений используют специальные таблицы слов или слогов. Спектральные характеристики речи достаточно близки к характеристикам белого шума, поэтому белый шум, который имеет непрерывный равномерный спектр, является одной из наиболее эффективных помех, маскирующих речь, и часто используется при исследовании разборчивости речи в качестве стандартной или эталонной помехи. В этом случае рабочая характеристика является функцией, определяющей зависимость показателя разборчивости речи от отношения сигнал/шум, т. е. AS(S/N).

Процедура получения экспертной оценки является долговременной и экономически затратной. Надлежащее проведение испытаний громоздко, требует привлечения определенного числа экспертов и длительного времени. Поскольку эти трудности характерны для любых испытаний, связанных с получением экспертных оценок при изучении влияния на разборчивость речи разных видов помех и их параметров, то желательно использовать автоматизированные средства. Существующие автоматизированные средства измеряют не показатель разборчивости, а индекс артикуляции AI.

Индекс артикуляции характеризует маскирующее действие шума (или помехи) на разборчивость речи. Значения индекса артикуляции лежат в интервале от 0 до 1. Чем больше значения индекса, тем лучше разборчивость речи. Индекс артикуляции, AI, получают взвешиванием значений сигнала и шума по отдельным участкам диапазона звуковых частот. При определении индекса артикуляции спектр речи делят на участки таким образом, чтобы каждый участок давал одинаковый вклад в разборчивость речи [70]. Если ввести помеху, то на каждом выделенном участке она будет вносить свой вклад в ухудшение разборчивости речи. Эта ситуация изображена на рис. 12.3, где спектральные плотности мощности сигнала (S) и шума (помехи) (N) разбиты по частоте ( f ) на такие участки, а S_i и N_i представляют мощности сигнала и шума (помехи) на i-ом участке разбиения.

При измерениях на каждомi-ом участке разбиения спектра сигнала определяют отношение сигнал/шум (или сигнал/помеха)

(S/N)_i = 10 lg (S_i/N_i)

и значение индекса артикуляции на этом участке (AI)_i. При определении (AI)_i руководствуются следующим правилом:

(AI)_i = 0, если (S/N)_i ≤ 12 дБ;

(AI)_i = 1, если (S/N)_i ≥ 18 дБ.

Если значения (S/N)_i лежат между значениями 12 дБ и +18 дБ, то для определения (AI)_i используют линейную интерполяцию AI на этом интервале между значениями 0 и 1, как это показано на рис. 12.4.

Окончательно значение AI находят как среднее значений (AI)_i на всех n участках разбиения спектра сигнала:

Преимуществом индекса артикуляции перед показателем разборчивости является более легкий метод измерения. Аналитическая связь между индексом артикуляции и показателем разборчивости в общем случае не установлена, поэтому невозможно пересчитать индекс артикуляции в процент правильно принятых слов. Однако установлено, что граничными значениями индекса артикуляции являются значения 0.3 и 0.7. ЕслиAI = 0.3, то говорят, что линия связи еще не бесполезна. При AI ≥ 0.7 имеет место уверенный прием информации на разговорном языке. Область, в которой AI = 0.3…0.7 является переходной. Значения S/I, при которых достигаются граничные значения AI, зависят от вида помех.

Телевидение. Экспертная оценка качества изображения в разных помеховых условиях широко используется в телевидении. Экспертная оценка является субъективной. Используя эту оценку, можно установить связь между качеством изображения и объективным значением специфических искажений. Субъективная оценка качества непосредственно предсказывает реакцию зрителя на принимаемое изображение. В основе экспертной оценки лежит сравнение эталонного изображения с изображением, искаженным помехой. Методология и методы получения экспертных оценок качества телевизионных изображений, анализ и представление результатов оценок подробно изложены в Рекомендациях МСЭ [71, 72].

Используя шкалу, основанную на пяти градациях качества (или пяти градациях степени искажений) принимаемого изображения, определяют защитные отношения, которые используются как при разработке частотно-территориальных планов телевизионных сетей, так и для анализа ЭМС средств телевидения между собой и с другими типами РЭС.

Для других аналоговых систем, не связанных с передачей речи или изображений, удобной характеристикой, отображающей качество работы системы, служит зависимость среднеквадратической ошибки определения параметров принимаемых сигналов от отношения сигнал/помеха или сигнал/(помеха + шум).

Цифровые системы.

В современных цифровых системах связи передача информации производится с помощью символов, каждый из которых может передавать несколько бит информации. Число символов М, используемых для передачи, и число бит информации k, передаваемых каждым символом, связаны соотношением:

М = 2^k .

Если каждый символ передает один бит информации (k = 1), то число используемых символов М = 2. Бинарная система с фазовой манипуляцией (BPSK), в которой символы ноль и единица передаются сигналами с начальной фазой 0° и 180° ,соответственно, или бинарная система с частотной манипуляцией (FSK), в которой 0 и 1 передаются на двух частотах, сдвинутых относительно средней частоты, соответственно, вниз и вверх на некоторую частоту f_d , являются примерами систем, в которых каждый символ несет один бит информации. В этом случае мы имеем дело с двоичными сигналами. При k ≥ 2 М > 2 и сигналы называют М-ичными. Если при приеме сигнала в точке приема известны все параметры сигнала, включая его начальную фазу, то прием называется когерентным. Если известны все параметры сигнала за исключением начальной фазы, прием называется некогерентным.

Качество приема цифровой информации оценивают вероятностью ошибочного приема, либо символа, либо бита информации в заданных условиях. Если обозначить вероятность ошибки при приеме символа через p_s, а вероятность ошибки при приеме бита информации p_b, то p_b  p_s и при М = 2 p_b = p_s.

Если помеха представлена широкополосным сигналом, обладающим плоским спектром в полосе пропускания приемника, то такую помеху часто рассматривают как аддитивный белый шум.

В качестве рабочих характеристик цифровых систем связи могут выступать характеристики, отображающие зависимость вероятности ошибочного приема символа или бита информации от отношения сигнал/шум. Эти характеристики обычно привязаны к входу демодулятора, т. е. отображают зависимости вероятности ошибок от отношения сигнал/шум или сигнал/помеха на входе демодулятора, и потому при их использовании необходимо учитывать характеристику избирательности той части приемника, которая предшествует демодулятору.

Отношение сигнал/шум может быть представлено отношением средней энергии сигнала (символа, бита) к спектральной плотности мощности шума или к энергии помехи, приходящейся на символ (или на бит) полезного сигнала, или отношением мощностей сигнала и помехи.

Для систем цифровой связи стандартной мерой качества является отношение E_b/N₀ – отношение [дБ] энергии бита E_b [Дж], к спектральной плотности мощности шума N₀ [Вт/Гц] на входе демодулятора. На рис. 12.5 и 12.6 в качестве примеров приведены характеристики, отображающие зависимость вероятности ошибочного приема символа, p_s, и бита, p_b, М-ичного сигнала от отношения E_b/N₀. Рис. 12.5 относится к приему М-ичного сигнала с когерентной фазовой манипуляцией (CPSK), а рис. 12.6 к приему М-ичного сигнала с когерентной частотной манипуляцией (CFSK).

Между вероятностями p_s и p_b существует связь. Для ортогональных сигналов (когерентной частотной манипуляции (CFSK), некогерентной частотной манипуляции (NCFSK), манипуляции с минимальным сдвигом (MSK)) эта связь выражается следующим образом

,

где k – число бит, передаваемых одним символом (k = log₂ M).

ДляМ-ичной когерентной фазовой манипуляции (CPSK), относительной фазовой манипуляции (DPSK) (с использованием кода Грея¹), когерентной амплитудной манипуляции (CASK) и некогерентной амплитудной манипуляции (NCASK) связь имеет вид [82] p_b = p_s/k

Энергия символа связана с энергией битов, передаваемых символом, очевидным соотношением E = E_b log₂ M = k E_b

Вместо отношений энергий может быть использовано отношение мощностей, в частности, отношение сигнал/шум (S/N), поскольку

E/N₀ = (S/N)(B_R T),

где B_R – полоса приемника, Гц; T – длительность символа, с; S/N – отношение сигнал/шум (по мощности) на входе демодулятора.

Приведенные связи между энергетическими параметрами и вероятностями позволяют использовать разные формы представления рабочих характеристик.

Если при приеме цифрового сигнала присутствует узкополосная помеха, то ее часто заменяют гармоническим сигналом. В этом случае характеристики, описывающие качество приема полезного сигнала, выглядят аналогично характеристикам, представленным на рис. 12.5 и 12.6. Однако значения М и вид сигнала у таких характеристик фиксированы, а параметром характеристик служит отношение E/I_e, дБ, где E – средняя энергия сигнала, приходящаяся на символ (или на бит) сигнала, I_e – энергия гармонической помехи, приходящаяся на символ (или бит).

В общем случае мешающий сигнал может представлять сочетание широкополосного шума и узкополосной помехи. Рабочими характеристиками, отображающими качество приема полезного сигнала, в этом случае служат параметрические кривые, описывающие зависимость p_s или p_b от E_b/N₀ (или от E/N₀), параметром которых является отношение E/I_e.

Для систем, отличных от систем радиосвязи, таких, например, как радиолокационные, радионавигационные и др. системы, используются другие виды рабочих характеристик, связанные с функциональным назначением этих систем.