Методы повышения помехоустойчивости приема

Под помехоустойчивостью понимают способность радиоприемного устройства противостоять вредному воздействию помех на воспроизводимое сообщение. При оценке частотной избирательности радиоприемного устройства предполагалось, что помеха находится вне полосы пропускания. Из предыдущих параграфов следует, что в действительности спектры сигнала и помех перекрываются. В результате помеха всегда есть не только на входе радиоприемника, но и на его выходе. Это учитывается при определении реальной чувствительности. Среди всех возможных помех исключительное место занимает принципиально неустранимая флуктуационная помеха теплового шума, спектр которого простирается от частот в долю герца до 1012—1013 Гц. Поскольку энергия такого шума распределена равномерно по спектру, как и у белого света, его называют белым. Шум относится к процессам случайным, подчиняющимся статистическим законам. Следовательно, сигнал вместе с шумом на выходе приемника воспроизводится также в виде случайного процесса. Случайный процесс характерен тем, что он не может быть предсказан точно, а только с некоторой степенью вероятности. Отсюда и невозможность точного определения параметров сигнала, несущего полезное сообщение, что приводит к неизбежным ошибкам при воспроизведении последнего.

В связи с этим повышение помехоустойчивости радиоприема оказывается возможным только на основе учета различия статистических свойств сигнала и шума. Такую задачу решает статистическая теория радиоприема, основывающаяся на работах А. Н. Колмогорова, Н. Винера, на теории потенциальной помехоустойчивости В. А. Котельникова, теории информации К. Шеннона, которые, в свою очередь, опираются на теорию вероятностей и математическую статистику. В силу последнего не представляется возможным излагать здесь положения статистической теории радиоприема. Ограничимся лишь перечислением решаемых ею задач, которые заключаются в определении оптимальных алгоритмов обработки входного сигнала; отыскании технического воплощения оптимальных алгоритмов; определении характеристик качества работы оптимальных приемников и выявление зависимости характеристик качества оптимальных приемников от параметров и вида модуляции.

Впервые проблему отыскания оптимального приемника, обеспечивающего минимальное по заданному признаку отличие воспроизводимого сообщения от исходного и исследование его свойств, рассмотрел В. А. Котельников. Он ввел понятие потенциальной помехоустойчивости, т. е. предельно достижимой помехоустойчивости для заданных условий приема. При данной структуре помехи и данного сигнала потенциальной помехоустойчивостью обладает так называемый идеальный приемник. Зная потенциальную помехоустойчивость, можно судить о неиспользованных возможностях ее повышения и целесообразности усовершенствования реального приемника. Теория потенциальной помехоустойчивости является более общим решением задачи радиоприема сигналов на фоне шумов с применением оптимальных линейных фильтров. Оптимальные фильтры в зависимости от принятого критерия качества обеспечивают максимальное отношение сигнал/шум или минимальную среднеквадратичную ошибку в воспроизведении сообщения. Фильтры первого типа обеспечивают фильтрацию модулированных сигналов до детектора. Фильтры второго типа выделяют из шума весь сигнал, а не только один или несколько его параметров и могут включаться в последетекторном тракте. Оптимальный фильтр согласуется со спектром сигнала по форме и ширине и поэтому называется согласованным. Если фильтр согласован только с шириной спектра, он называется квазиоптимальным. Для оптимальной фильтрации импульсных сигналов частотная характеристика оптимального фильтра должна быть согласована со спектром, форма которого представлена на рис. 7.а.

Рис. 7. Спектральная характеристика радиоимпульса (а) и амплитудно-частотная характеристика (б) гребенчатого согласованного фильтра.

Оптимальные (согласованные) фильтры, форма частотной характеристики которых аналогична форме спектра импульсного сигнала, называют гребенчатыми (рис. 7.б). Гребенчатый фильтр пропускает только те составляющие, частоты которых совпадают с составляющими спектра сигнала, несущими большую часть энергии. На рис. 7.б это составляющие вблизи f_o±∆ f. В то же время не пропускаются или значительно ослабляются составляющие, частоты которых располагаются вблизи точек 1, 2, 3, 4 и т. д. Согласованные фильтры являются обязательным элементом оптимального приемника. Для уменьшения уровня шумов на выходе линейного тракта приемника необходимо сужать его полосу пропускания. Это возможно, если одновременно сузить спектр принимаемого сигнала. Предположим, что спектральная плотность шума S_ш, а полоса пропускания линейного тракта приемника П, мощность шума на выходе Р_ш=S_шП. Отношение сигнал/шум P_c/P_ш⁼P_c/S_шП. Если длительность сигнала принять t_и=l/П, то Р_с/Р_ш⁼ t_иP_c/S_ш, т. е. тем больше, чем больше длительность сигнала. В этом случае помехозащищенность приема достигается за счет увеличения длительности сигнала, т. е. за счет увеличения времени передачи. Однако системы, в которых улучшение отношения сигнал/шум достигается за счет полосы, характеризуются пороговым значением Р_с/Р_ш. Если это отношение на входе приемника становится меньше некоторого (порогового) значения, то это же отношение на выходе начинает быстро падать. Отношение сигнал/шум может быть улучшено за счет избыточности информации. Примером такого метода является передача с повторением. В этом случае на приеме используют накопление за счет сложения повторно принятых сигналов одинакового содержания. Возможный выигрыш может достигнуть n^½ раз, где n — число повторений, зависящее от уровня шума.

В качестве примера повышения помехоустойчивости за счет различия в статистических свойствах сигнала и помехи можно указать на корреляционный метод приема. Коротко суть этого метода заключается в следующем. Случайные процессы, какими являются сигнал и помеха, обладают тем свойством, что их значения в один момент времени каким-то образом влияют на значения этого же или другого случайного процесса в другой соседний момент времени. Такая взаимосвязь в случайных процессах называется корреляцией. Функция корреляции гармонического сигнала постоянна при изменении интервала между соседними моментами, тогда как функция корреляции шума убывает с увеличением интервала между сравниваемыми реализациями. Структурная схема приемника, в которой используется автокорреляционный метод, показана на рис. 8. Входное напряжение сдвигается линией задержки на интервал т. Затем первоначальный сигнал и его копия, сдвинутая на время т, перемножаются. Мгновенные значения произведения усредняются (суммируются) в интервале времени, равном длительности сигнала, с помощью накопителя.

Рис. 8. Структурная схема автокорреляционного приемника.

Для случая приема AM сигнала время, за которое осуществляется усреднение, должно быть мало по сравнению с периодом наивысшей частоты модуляции. В конце интервала суммирования накопитель мгновенно разряжается при помощи какого-либо разрядного устройства. Напряжение на выходе накопителя будет представлять последовательность пилообразных импульсов, сохраняющих закон амплитудной модуляции принимаемого сигнала. Если пропустить эту последовательность через фильтр нижних частот, то на выходе будет получено низкочастотное напряжение.

Радиоэлектронное оборудование самолетов и вертолетов

Радиосвязное и радионавигационное оборудование