7.2. Методы борьбы с замираниями сигналов

7.2.1. Методы борьбы с замираниями в аналоговых системах связи

В аналоговых системах возможен ряд вариантов разнесенного приема, отличающихся способами объединения ветвей и формирования результирующего колебания .

В системах связи применяются линейные методы додетекторного объединения ветвей. При этом результирующее колебание на выходе схемы объединения представляет собой линейную комбинацию  входных колебаний отдельных ветвей разнесения:

,

(7.3)

где    – принятый сигнал в -й ветви;  – переданный сигнал;  – коэффициент передачи, зависящий от условий распространения сигнала;  – помеха в -й ветви;  –весовые коэффициенты, величина которых зависит от конкретного метода объединения ветвей.

Среди линейных методов объединения ветвей большое распространение в технике пространственного разнесенного приема получили простое и оптимальное линейное сложение сигналов. Кроме того, часто применяется автоматический выбор наилучшей ветви разнесения. Различают автовыбор по наибольшему значению сигнала и автовыбор по наибольшему превышению сигнала над помехой.

Система автовыбора с переключением приемников

В этой системе путем переключения приемников из  ветвей выбирается та, в которой сигнал имеет наибольшее значение. Для такой системы коэффициенты в выражении (7.3) выбираются следующим образом:

,

где    – индекс лучшего в каком либо смысле сигнала.

Структурная схема приемного устройства с системой автовыбора для сдвоенного приема, в которой приемники переключаются по низкой частоте (после детектора) приведена на рис. 7.3. Возможна аналогичная система с переключением приемников до детектора (на промежуточной частоте).

В соответствии с принципами работы системы автовыбора огибающая сигнала на выходе схемы объединения представляет собой случайную величину , где номер ветви  может меняться случайно от одного интервала анализа состояния ветвей к другому (рис. 7.4).

Оценку различных систем разнесенного приема производят по вероятности ошибки. Если замирания в отдельных ветвях неселективные и определяются законом Рэлея, то вероятность ошибки в рассматриваемой системе автовыбора может быть рассчитана по формуле [6, 42]:

,

(7.4)

где    – среднее отношение мощности сигнала и помехи (шума) в -й ветви на входе приемника.

Если среднее значение отношения сигнал/шум в ветвях достаточно велико (), то формулу (7.4) можно упростить:

.

(7.5)

На основе этого выражения построены графики (рис. 7.5) из которых следует, что применение разнесенного приема позволяет существенно уменьшить вероятность ошибки по сравнению с одиночным приемом флуктуирующих сигналов.

Система автовыбора с переключением антенн

В системе автовыбора с переключением антенн при - кратном разнесении используется всего лишь один приемник. Структурная схема такой системы при сдвоенном приеме приведена на рис. 7.6. Она состоит из двух разнесенных антенн, одного приемника и переключающего устройства (блока автовыбора). Блок автовыбора подключает антенну, сигнал которой больше установленного порога . Выбранный сигнал, например  от антенны , принимается до тех пор, пока . Как только  станет меньше , блок автовыбора переключает приемник на антенну  и производится прием с этой антенны, пока . Если  и  одновременно будут меньше , то система будет находиться в состоянии поиска (периодического переключения антенн), пока хотя бы на одной из антенн сигнал не станет больше порога.

Вероятность ошибки при разнесенном приеме ЧМн сигналов с  антеннами, можно определить по формуле [6, 22, 42]:

,

где    – пороговое значение отношения мощностей сигнала и помехи.

На рис. 7.7 приведены зависимости вероятности ошибок для различного числа ветвей разнесения. Анализ этих зависимостей показывает, что увеличение кратности разнесения (от 2 до 5) приводит к значительному снижению вероятности ошибок. Наименьшая вероятность ошибки при сдвоенном приеме обеспечивается при некотором значении , и определяется следующим выражением [42]:

.

(7.6)

Это выражение позволяет упростить расчеты для наиболее часто используемых систем сдвоенного приема.

Система линейного сложения сигналов

В случае линейного сложения сигналов с одинаковыми средними уровнями (средней мощностью) в каждой ветви результирующий сигнал представляет собой сумму  случайных независимых функций, имеющих обычно рэлеевские распределения замираний.

Вероятность ошибки в схеме линейного сложения для сдвоенного приема сигналов ЧМн при независимых рэлеевских замираниях при  может быть найдена по формуле [42]:

.

(7.7)

Сравнивая записанное выражение с (7.2), убеждаемся, что энергетический проигрыш при переходе от оптимального приема к линейному не превышает 0,2 дБ.

На рис. 7.8 приведена упрощенная структурная схема приемного устройства с системой линейного сложения сигналов на промежуточной частоте, принимаемых двумя антеннами [22]. В состав схемы входят два антенных устройства с высокочастотными блоками (ВЧ), смесители (СМ), гетеродины (Гет), усилители промежуточной частоты (УПЧ), устройство сравнения и автоматической подстройки фазы (ФАПЧ) и устройство автоматической регулировки усиления (АРУ).

Линейность сложения в схеме обеспечивается общим для двух приемников устройством АРУ. При такой схеме коэффициенты усиления обоих приемников близки и определяются наибольшим из складываемых сигналов. Система предусматривает когерентность складываемых сигналов, которая обеспечивается автоматической подстройкой фазы сигнала одного приемника к фазе сигнала другого приемника в ФАПЧ. Практически это достигается автоматической подстройкой фазы одного из гетеродинов приемника.

Система оптимального линейного сложения сигналов

Принципиальным недостатком линейного сложения сигналов с одинаковыми весовыми коэффициентами является то, что ветви с плохим отношением сигнал/шум вносят заметный вклад в шумовую составляющую результирующего колебания и незначительный в сигнальную составляющую. Если выбирать весовые коэффициенты  при линейном объединении ветвей так, чтобы они учитывали фактическое состояние каждой ветви, определяемое величиной , то при определенном правиле такого выбора можно добиться максимального отношения сигнал/шум на выходе устройства объединения. Так как величина  в каждой ветви обычно медленно меняется во времени, то возможно обеспечить такое изменение весовых коэффициентов  для всех ветвей, при которых величина отношение сигнал/шум на выходе схемы объединения достигает своего максимального значения.

Вероятность ошибки при оптимальном линейном сложении ЧМн сигналов в условиях рэлеевских замираний можно рассчитать по формуле [6, 42]:

.

При большом отношении сигнал/шум в ветвях () и :

.

(7.8)

Сравнивая соотношения (7.8), (7.7), (7.6), (7.5), характеризующие вероятность ошибки при применении соответствующей системы разнесенного приема, можно сделать вывод, что схема оптимального линейного сложения сигналов обеспечивает наибольшую помехоустойчивость.

Для более полной характеристики методов разнесенного приема необходимо располагать законами распределения огибающей сигнала на выходе схемы объединения. Указанные кривые законов распределения для систем разнесенного приема при автовыборе и оптимальном линейном сложении (и ) приведены на рис. 7.9 [42].

На этом же рисунке представлен закон Рэлея, соответствующий одиночному приему флуктуирующего сигнала (). Из анализа рисунка следует, что при увеличении числа ветвей разнесения кривые распределения для оптимального линейного сложения смещаются вправо, приближаясь к нормальному распределению.