Лекция № 27. Основы теории помехоустойчивости.

Определения. Для электросвязи задача обеспечения поме­хоустойчивости является одной из главных. Система связи дол­жна быть спроектирована и эксплуатироваться так, чтобы она при наличии помех обеспечивала заданное качество передачи сигналов и сообщений. Расчет влияния помех на передачу сигна­лов и разработка способов уменьшения этого влияния является основными вопросами, решаемыми в теории помехоустойчивости.

Под помехоустойчивостью системы связи понимают способ­ность системы, различасть (восстанавливать) сигналы с заданной достоверностью при наличии помех. Способность системы связи про­тивостоять вредному действию помех — адекватна вышеприве­денной, но более близка к физическому толкованию помехоустой­чивости: устойчивости системы связи к помехам, способности пра­вильно функционировать при наличии помех.

Задача определения помехоустойчивости всей системы связи в целом весьма сложна, поэтому часто определяют помехоустой­чивость отдельных звеньев, например приемника при заданном способе передачи, системы кодирования, вида модуляции и т. д. В общем случае помехоустойчивость системы связи зависит от вида передаваемых сообщений, уровня и характеристик помех, параметров составных частей системы.

Потенциальная и реальная помехоустойчивость.

Под потенциальной помехоустойчивостью понимают пре­дельно достижимую помехоустойчивость при заданных сигналах и помехах. Эту помехоустойчивость обеспечивает специально сконструированный оптимальный (наилучший) приемник. Потенци­альная помехоустойчивость определяет то предельное качество, которое можно получить в заданной системе связи, но нельзя превысить никакими способами обработки сигнала при существу­ющей помехе.

Реальная помехоустойчивость — это помехоустойчивость сис­темы связи или отдельных ее звеньев с учетом реального выпол­нения и настройки узлов каиала электросвязи (передающего к приемного трактов, линии связи, кодека, модема и т. д.). Ведь теоретически и технологически не все узлы канала связи можно сделать идеально с требуемыми параметрами. Да и при эксплу­атации имеются всегда погрешности установки параметров тех или иных узлов. Реальная помехоустойчивость зависит от множе­ства факторов и параметров отдельных звеньев системы связи и всегда меньше теоретически предельной потенциальной помехо­устойчивости.

Лекция № 28. Оптимальный прием дискретных сигналов.

Критерии оптимальности. Понятие оптимального (на­илучшего) можно рассматривать, только четко установив, в ка­ком смысле понимается оптимальность. Для этого в каждом кон­кретном случае вводится критерий оптимальности — признак, на основании которого производится оценка того или иного физичес­кого процесса как наилучшего. Выбор критерия оптимальности не является универсальным, он зависит от поставленной задачи и условий работы. Различными критериями оптимальности поль­зуются не только в теории приема сигналов, но и в различных других областях науки и техники, в повседневной жизни. Без четко определенного критерия оптимальность теряет смысл. По­пробуйте, например, определить, что означает фраза «Это для меня оптимальный вариант поездки». В каком смысле? В требу­емое время, с максимумом удобств, с приемлемой скоростью, при минимуме затрат и т. д. От выбора критерия оптимальности бу­дет зависеть решение.

При передаче дискретных сигналов широко используется кри­терий идеального наблюдателя, впервые введенный В. А. Котельниковым в 1946 г. Часто этот критерий называют критерием Котельникова. Согласно ему тот приемник считается оптимальным, который обеспечивает минимум полной вероятности ошибки.

Алгоритм оптимального приема.

Сущность опти­мального приема состоит в том, что в приемнике необходимо при­менить такую обработку смеси сигнала с помехой, чтобы обеспе­чить выполнение заданного критерия. Эта совокупность правил обработки в приемнике носит название алгоритма оптимального приема заданного сигнала на фоне помех. Алгоритм находят ста­тистическими методами, зная параметры передаваемых сигналов и вероятностные характеристики помех.

Для наиболее часто встречающегося на практике случая пе­редачи двоичных первичных сигналов, сформированными методами амплитуд­ной (АМн), частотной (ЧМн) и фазовой (ФМн) манипуляций в канале с аддитивным гауссовским шумом, алгоритмы оптимального приема приведены в таблице. Эти алгоритмы от­ражают широко применяемый поэлементный прием, когда реше­ние о переданном сигнале принимается отдельно для каждого сигнала, независимо от принятого ранее.

Все алгоритмы представляют собой неравенства, указывающие последовательность операций, которые необходимо провести с принятой суммой сигнала и помехи, и правило определения переданного первичного сигнала.

Схемы оптимальных приемников.

Методика по­строения структурных схем устройств по заданному алгоритму весьма проста: необходимо реализовать операции в той после­довательности, как предписано алгоритмом. Исходя из этого пра­вила на рисунке приведены схемы оптимальных приемников, построенные по алгоритмам таблицы. Для сигналов с ЧМн схе­ма двухканальная (рис. б). В каждом канале принятый сиг­нал умножается на копию передаваемого сигнала

Структурные схемы оптимальных когерентных приемников (демодуляторов):

а) – АМн сигналов; б) – ЧМн сигналов; в – ФМн сигналов.

Приведенные на рисунке схемы получили название оптималь­ных корреляционных приемников, поскольку математическая опе­рация перемножения двух сигналов и интегрирования произве­дения означает корреляцию между ними. Такой же операцией определяется сигнал на выходе согласо­ванного фильтра, поэтому оптимальные приемники можно выпол­нить и на согласованных фильтрах, которые заменяют генераторы сигналов, перемножители, интеграторы.

Структурные схемы оптимальных когерентных демодуляторов на

согласованных фильтрах: а) – АМн сигналов; б) – ЧМн сигналов; в) – ФМн сигналов.

Некогерентный прием.

Все приведенные схемы опти­мальных приемников можно рассматривать как схемы оптималь­ных когерентных демодуляторов дискретных сигналов. На их вход поступают дискретные сигналы в смеси с помехами, на выходе формируются первичные сигналы для чего использу­ются сведения не только об амплитуде, но и фазе высокочастот­ных манипулированных сигналов.

Достаточно часто сведения о фазе принимаемого сигнала не используются. Такой способ приема называют некогерентным и применяется он в каналах с переменными параметрами (фаза меняется случайно) или при технических трудностях опре­деления фазы с целью упрощения схемы.

Структурные схемы оптимальных некогерентных демодуляторов:

а) – АМн сигналов; б) – ЧМн сигналов.

При некогерентном приеме решение в РУ о передаваемом сигнале принимается не по мгновенным значениям напряжений на выходе цепей обработки, а по значениям огибающей. Для вы­деления огибающей в схему приемников после цепей обработки, например согласованных фильтров, включаются амплитудные де­текторы.

Следует отметить, что некогерентный прием нельзя осущест­вить для сигналов с ФМн, так как здесь передаваемая инфор­мация заложена в изменении фазы, а фаза-то и не учитывает­ся при некогерентном приеме.