книги / Оптимальные методы передачи сигналов по линиям радиосвязи

На линиях связи ионосферного рассеяния и метеорных линиях связи обычно применяют амплитудную или частотную манипуляцию.

Для оценки степени использования теоретической пропускной способности телеграфного канала связи рассмотрим простейший случай амплитудной манипуляции.

Максимальная скорость передачи на современных стартстопных буквопечатающих аппаратах составляет 100 слов/мин, что соответ-

тельность слова, включая интервал между словами, составляет шесть букв и что каждая буква, помимо пяти рабочих посылок, тре­ бует передачи стартовой и стоповой посылок, причём стартовая по длительности на 50% превышает рабочую посылку. Поэтому дли­ тельность буквы в стартстопных телеграфных аппаратах составляет 7,5 элементарных посылок. Длительность элементарной посылки в рассматриваемых условиях равна Т= 13,3 мсек. Скорости 75 бод со-

"/5

■ответствует частота переменного тока — =37,5 гц. Полагая, что

2

для правильного воспроизведения прямоугольных импульсов необ­ ходимо удерживать третью гармонику, будем считать, что требуе­ мая полоса пропускания канала связи в этих условиях должна со­ ставлять F = 337,5= 112,5 гц.. или грубо У7» 100 гц.

С другой стороны, для эффективного противодействия замира­ ниям отношение — на кв линиях связи должно быть даже в наи-

ставляя значения F и — в ф-лу (1.1), находим

Рш

дв. ед.

Смаке = 100-Ioga (101) = 100-6,63^660

сек *

что представляет собой теоретическое значение пропускной способ­ ности канала связи с указанными параметрами.

Фактически же по каналу связи передаётся всего

(здесь не приняты в расчёт стартовая и стоповая посылки, которые не несут в себе полезной информации).

Таким образом, в обычном телеграфном канале связи с ампли­ тудной манипуляцией, даже в наиболее благоприятных условиях, используется только около одной десятой теоретически возможной пропускной способности канала связи. Обозначим через ц коэф­ фициент использования потенциальной пропускной способности ка­ нала связи, понимая под этим отношение реальной пропускной

— И —

способности канала связи к её максимально возможному (с точки зрения теории информации) значению, т. е.

С

**= с— •

макс

Для рассматриваемого случая находим

V — = 0,08.

660

В табл. 1.2 приведены результаты аналогичных расчётов, вы­ полненных для систем ЧТ, ДЧТ, тонального телеграфирования и для стандартного телефонного канала, уплотнённого двадцатью телеграфными каналами.

Из таблицы видно, что все применяемые в настоящее время спо­ собы передачи телеграфных сообщений далеко не используют по­ тенциальных возможностей каналов связи в отношении пропуск­ ной способности.

Сравнение значений коэффициента использования р, для рас­ смотренных видов связи показывает, что переход от AM к ЧТ и ДТЧ вызывается отнюдь не стремлением полнее использовать пропуск­ ную способность канала связи. Смысл Этого перехода заключается в увеличении надёжности связи.

Интересно заметить, что при уплотнении телефонного канала 20 телеграфными каналами коэффициент использования предель­ ной пропускной способности практически имеет такие же значения,, как и при телеграфной связи с амплитудной манипуляцией.

Всё это говорит о наличии больших и ещё не использованных резервов в отношении возможности более эффективного использо­ вания пропускной способности каналов связи.

Причинами их недостаточного использования применительно к рассматриваемому случаю передачи телеграфных сообщений яв­ ляются:

— 12

1. Неэффективное использование полосы частот канала связи. Применяя более совершенные методы уплотнения, в частности не­ которые разновидности фазовой телеграфии, можно в пределах того же спектра уложить большее число телеграфных каналов связи.

2. Слабая помехозащищённость каналов связи, что вынуждает для получения достаточно большой надёжности вести работу при высоких отношениях сигнал/шум. Применяя более совершенные методы передачи сигналов, можно получить заметный выигрыш.

3. Наконец, в рассмотренных выше системах связи довольно «расточительно», если так можно сказать, расходуется отведённая на канал связи полоса частот. За счёт некоторого усложнения ап­ паратуры, по-видимому, можно уменьшить частотную девиацию при ЧТ и ДЧТ. Слишком велики защитные полосы в телефонном канале, отделяющие его от смежных каналов. Устраняя частотные излишки, можно существенно увеличить реальную пропускную спо­ собность канала связи.

1.3. ТЕЛЕФОННАЯ СВЯЗЬ

Для передачи телефонных сообщений по радиоканалам связи в настоящее время применяют различные и весьма многообразные ме­ тоды модуляции.

В диапазоне кв для этой цели используют обычную амплитудную модуляцию (AM), а также передачу на одной боковой полосе или, как мы будем её называть, однополосную модуляцию (ОПМ).

В диапазоне укв успешно применяется частотная модуляция (ЧМ), фазовая модуляция (ФМ) и различные виды импульсной модуляции, включая импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ) и дельта-модуляцию.

Весьма многообразны также применяемые в настоящее время методы уплотнения телефонных каналов, используемые в радиоре­ лейных линиях связи обычного типа, а также в тропосферных ли­ ниях связи. Здесь применяются как частотная система уплотнения (наиболее употребительная в линиях связи с большим числом ка­ налов, порядка сотен и тысяч), так и временная система (в линиях связи с небольшим числом каналов).

Если при передаче телеграфных сообщений не представляло ни­ какого труда сопоставить реальную пропускную способность кана­ ла связи с максимально возможным теоретическим значением этой величины, то при телефонном разговоре приходится основываться на некоторых допущениях. Будем в порядке первого приближения считать, что передаваемое при телефонном разговоре количество информации определяется числом букв прочитанного текста, как если бы его передать по телеграфному каналу. Будем далее пола­ гать, что каждая буква соответствует пяти двоичным единицам ин­ формации. Всё это, конечно, не совсем так, ибо телефонный разго-

— 13 —

В то же время по телефонному каналу, который с защитными

р

полосами занимает 4 кгц, при отношении — =20 дб можно пере-

Рш

дать

Смаке— 4-103 log2 (101) = 2,6* 104 дв. ед.

сек

В этих условиях коэффициент использования телефонного ка­ нала составляет

том, что при передаче телефонных сообщений потенциальная про­ пускная способность канала связи используется ещё в меньшей степени, чем при телеграфной связи. Здесь ещё больше возможно­ стей для дальнейшего совершенствования систем радиосвязи.

Различные виды модуляции характеризуются, с одной стороны, разными требованиями к необходимой полосе пропускания (срав­

сительное число правильно принятых слов (или соответственно сло­ гов) при артикуляционных тестах.

1.4. ФОТОТЕЛЕГРАФНАЯ СВЯЗЬ

Фототелеграфная связь по радиоканалам в настоящее время осуществляется либо в диапазоне коротких волн, либо путём заня­ тия одного телефонного канала в радиорелейных линиях связи. Для передачи неподвижных изображений чаще всего применяется ча­ стотная модуляция и только в редких случаях — амплитудная.

— 14 —

Количество передаваемой при чёрно-белых оригиналах инфор­ мации можно подсчитать на основании следующих данных. Размер оригинала обычно составляет 210x300 мм. При размере светового пятна 0,1X0,22 мм число элементов, на которое разбивается пере­ даваемое изображение, составляет примерно 900x3000=2,7 • 106, причём первый множитель соответствует числу «строк» разложе-

ния. При скорости 225 об/мин за секунду передаётся 900 • — =3380

элементов или при чёрно-белых оригиналах столько же двоичных единиц за секунду. Таким образом, в обычных условиях в фототе­

леграфных каналах связи передаётся С=3380^ ’ е д В то же вре-

сек.

мя при ширине полосы /**=4000 гц и при — =20 дб предельная

Рш

пропускная способность канала связи составляет

Смакс= 4000 log2101 =2,6-104 да. ед.

сек

Коэффициент использования канала связи в этих условиях со­ ставляет

Таким образом, коэффициент использования фототелеграфных линий связи достаточно высок, во всяком случае значительно выше, чем при радиотелефонной связи.

1.5. ПЕРЕДАЧА ПО РАДИОКАНАЛАМ ДАННЫХ

Передача данных представляет собой разновидность телеграф­ ной связи, ибо так же, как и при телеграфии, передаваемые сигна­ лы представляют-собой двоичные знаки: посылки и паузы. Однако передача данных и телеграфия существенно различаются скоростью передачи информации и надёжностью работы канала связи.

Данные могут передаваться как по телеграфным, так и по те­ лефонным каналам линии связи [2].

Если в простейших линиях связи, использующих для передачи данных телеграфные аппараты, можно довольствоваться нормаль­ ной скоростью работы телеграфного аппарата, т. е. 75 бод, то в спе­ циализированных линиях, передающих информацию от оргамашин, такая скорость является недостаточной. Здесь требуется скорость порядка 1000 или даже 3000 бод. Для достижения такой скорости передачи необходимо объединять несколько телеграфных каналов, а в некоторых случаях использовать пропускную способность всего телефонного канала.

— 15 —

Г Л А В А 2.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОМЕХ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

2.1.КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХ

Очевидно, что основной причиной, затрудняющей работу кана­ лов радиосвязи и ограничивающей их пропускную способность, яв­ ляются помехи. Как показывает ф-ла (1.1), при отсутствии помех (шумов), каналы связи обладали бы бесконечно большой пропуск­ ной способностью. Поэтому понятен интерес к изучению свойств и особенностей (характеристик) помех различного происхождения, затрудняющих приём радиосигналов.

Все источники помех по происхождению можно разбить на две группы: искусственные и естественные.

К числу помех искусственного происхождения относятся *):

а) тепловые шумы, возникающие во входных элементах приём­ ных устройств;

б) шумы, создаваемые дробовым эффектом в электронных при­ борах, находящихся на входе приёмных устройств;

в) помехи от радиостанций, работающих на близких частотах; г) промышленные помехи.

К числу помех естественного (природного) происхождения от­ носятся:

а) атмосферные помехи; б) космические шумы;

в) шумы, создаваемые нагретой поверхностью Земли; г) шумы, создаваемые тепловым излучением газов, входящих в

состав земной атмосферы.

В дальнейшем изложении пока не будем касаться помех, созда­ ваемых работающими на близких частотах радиостанциями, а так­ же промышленных помех, полагая, что в выбранном канале связи помехи от других станций отсутствуют и что рациональным выбо­ ром места установки приёмного устройства можно исключить влия­ ние промышленных помех. Кроме того, статистические свойства по­ мех теплового и дробового происхождения весьма сходны, что по­ зволяет объединить их под общей рубрикой тепловых шумов.

В различных диапазонах волн доминирующими оказываются помехи различного происхождения. Так, например, на волнах длин-

*) Приводимая классификация несколько отличается от обычно приме­ няемой.

нее 10 м общий уровень шумов определяется атмосферными поме» хами. В диапазоне метровых волн решающим оказывается уровень космических помех. В области дециметровых волн результирующий уровень помех определяется тепловыми шумами на входе приёмно­ го устройства. В этом диапазоне волн существенное влияние может оказать тепловое излучение Земли. Наконец, в диапазоне сантимет­ ровых волн общий уровень помех может определяться тепловым излучением водяных паров и кислорода, входящих в состав земной атмосферы.

Более точное представление о частотных границах, в пределах которых доминирующее влияние оказывают различные виды помех, можно получить из рассмотрения рис. 2.1, по оси абсцисс которого

та

отложены значения частот, а по оси ординат — относительная ин­ тенсивность уровня шумов, выраженная в эквивалентной темпера­ туре соответствующего источника шумов.

Влияющие на процесс приёма сигналов помехи принято разде­ лять на гладкие и импульсные. Типичным представителем помех первого типа являются тепловые шумы, а также шумы, создаваемые дробовым эффектом. Хотя и такого рода помехи могут создаваться элементарными импульсами (например, зарядами отдельных элек­ тронов в случае дробового эффекта), но величина каждого отдель­ ного импульса так мала и они следуют друг за другом столь быстро и непрерывно, что в целом создаётся эффект непрерывного воздей­ ствия, отдельные импульсы сглаживаются и не проявляются. Типич­ ным примером импульсных помех могут служить индустриальные помехи (эффект отдельных включений, помехи, создаваемые искря­ щим коллектором, и т. д.), а также помехи, создаваемые местными грозами, где явно ощутимы отдельные разряды молний.

В дальнейшем будет рассматриваться влияние на работу кана­ ла связи, главным образом, гладких помех. Во-первых, помехи это­ го типа часто оказывают решающее влияние на процесс передачи

— 18 —

информации, во-вторых, статистические свойства атмосферных по­ мех, создаваемых удалёнными очагами грозы, в первом приближе­ нии можно описывать таким же способом, каким описываются глад­ кие помехи. Способы борьбы с импульсными помехами рассматри­ ваются в гл. 9.

Гораздо более интересной представляется классификация шу­ мов по их статистическим свойствам.

Шум называется стационарным, если его статистические свойст­ ва не зависят от момента отсчёта времени. Говоря точнее, процесс называется стационарным, если выражения для плотностей вероят­ ностей не изменяются при изменении начала отсчёта времени. При­ мером нестационарного может служить процесс в переходном ре­ жиме (в частности, шум дробового эффекта непосредственно после включения накала лампы).

Шум называется аддитивным, если его воздействие на прини­ маемый радиосигнал может быть представлено в виде алгебраиче­ ской суммы напряжений сигнала и шума. Можно представить себе шумы, которые воздействуют на один из параметров принимаемого сигнала (амплитуду, частоту, фазу и т. д.) и свойством аддитивно­ сти не обладают.

Если шум обладает равномерным частотным спектром во всём диапазоне рассматриваемых частот, то он называется белым. Шум с иным частотным спектром естественно назвать небелым.

Гауссовым (или нормальным) шумом называют шум, мгновен­ ные значения напряжений которого подчиняются нормальному (или гауссову) закону распределения.

В дальнейшем изложении ограничимся рассмотрением стацио­ нарного, аддитивного и нормального белого шумов.

2.2. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА НОРМАЛЬНОГО БЕЛОГО ШУМА

Будем обозначать мгновенное значение напряжения шума, ко­ торое представляет собой случайную функцию времени, через иш (t). Среднее значение напряжения шума полагаем равным нулю, т. е.

Обозначим далее через о2 среднее значение квадрата величины и ш Ю* т- е- ег0 дисперсию,

(2.2)

Величина а будет представлять собой среднее квадратичное или стандартное отклонение случайной величины иш(t). В то лее время оа= Р ш молено рассматривать как мощность, выделяемую в единич­ ном сопротивлении.

По определению нормального белого шума в заданный момент времени плотность распределения определяется формулой

Здесь индекс «к» указывает, что рассматривается одномерное распределение для фиксированного момента времени tK. Полное представление о флуктуационном процессе может дать только плот­ ность многомерного распределения.

Предположим, что интересен характер протекания процесса за время Т. Если процесс ограничен полосой 0-i-/e, то, согласно теоре­ ме Котельникова [3], он может быть с достаточной точностью опре­ делён с помощью конечного числа1 отсчётов, отделённых друг от

друга интервалами времени Ь 3= — . Всего для описания процес­

но JI. С. Гуткиным [4], при 2Г/в> 1 (что практически всегда выпол­ няется) подобное представление является достаточно точным.

ишШ

На рис. 2.2 показана одна из возможных реализаций случайно­ го процесса во времени, характеризуемая с помощью п отсчётов.

Вероятность того, что изменение напряжения во времени будет определяться кривой, находящейся в пределах заштрихованной бес­ конечно узкой области, будет представлять собой совместную ве­ роятность того, что определяющие ординаты будут одновременно заключаться в пределах:

— 20 —