Файл: История техники связи.pdf

Сигналы с КАМ просты в реализации и при М = 16 256 они нашли широкое применение в современных цифровых системах связи и, в частности, в радиорелейной связи.

В это же время ведутся обширные исследования, направленные на синтез N-мер- ных М-сигналов, позволяющих с высокой эффективностью использовать полосу частот канала связи и имеющих высокую помехоустойчивость приема. По существу происходит синтез идей теорий модуляции и кодирования.

Американский ученый Д. Слепян [34] был одним из первых, кто предложил метод построения ансамбля сигналов для случая, когда N и М имеют произвольные значения и М >> N. Все сигналы этого ансамбля получаются из одного в результате перестановок его символов. Этот метод он назвал перестановочной модуляцией. Слепян показал возможность достижения высокой помехоустойчи- вости приема сигналов при их передаче этим методом. В США И. Ридом и Шольцем [35], В. Линдсеем и М. Симоном [36] исследована помехоустойчивость приема «в целом» ансамбля М-сигналов, в которых отдельные сигналы содержат L ортогональных компонент, каждая из которых может иметь K-кратную ФМн (M = LK).

В.В. Гинзбургом [37] были предложены новые сигнально-кодовые конструкции М-сигналов (СКК), в которых применялись многократная ФМ и различные виды корректирующих кодов.

Г. Унгербоеком [38] был предложен новый подход к созданию СКК, основанный на использовании определенного правила двоичного представления сигнальных точек при разбиении используемого ансамбля сигналов на вложенные под ансамбли с увеличивающимся минимальным расстоянием.

Интенсивные теоретические исследования СКК были проведены в 80-х гг. отече- ственными учеными В.Л. Банкетом и С.Л. Портным. Ими были рассмотрены вопросы помехоустойчивого кодирования в спутниковых каналах с многопозиционной ФМ, разработаны методы синтеза СКК на основе каскадных кодов, выполнен анализ возможностей применения сверточных кодов для синтеза СКК. Результаты этих исследований отражены в литературе [39, 40].

§ 3. Прием дискретных сигналов в многолучевых каналах

Важным направлением теории потенциальной помехоустойчивости является теория передачи и приема дискретных сигналов в каналах с многолучевым распространением радиоволн. Рассмотрим историю развития этого направления в данном параграфе.

Долгое время передача сообщений на большие расстояния с помощью радиоволн была возможна только по коротковолновым, ионосферным и тропосферным радиоканалам, для которых характерно многолучевое распространение радиоволн. Физические явления, связанные с таким распространением, весьма сложны. Понимание сути этих явлений и разработка адекватного математического аппарата для их описания и исследования, а также методов повышения помехоустойчивости приема сигналов в таких каналах потребовали от интернационального сообщества ученых огромной созидательной работы и заняли много времени.

Глава 3. Очерк истории создания и развития теории потенциальной помехоустойчивости 239

В результате усилий детально исследованы и сегодня находят применение следующие методы приема сигналов в каналах с многолучевостью:

• разнесенный прием;

• разделение отдельных лучей в месте приема за счет использования широкополосных сигналов;

• прием с использованием компенсаторов межсимвольной интерференции.

В науке и технике примечательно то, что отсутствие теоретического осмысления тех либо иных явлений часто не является препятствием для инженеров, которые находят новые технические решения, опираясь на данный им дар интуиции и нечеткие, а порой даже ложные представления о сущности этих явлений. Действительно, удивление и восхищение вызывают замечательные достижения инженеров древности, построивших грандиозные египетские пирамиды и создавших сложнейшие механизмы, не обладая теоретическими знаниями о законах механики, которые человечество получило только спустя почти тысячу лет благодаря работам Галилея, Ньютона и других ученых. Подобное положение вещей можно видеть и в той области, которая будет рассмотрена далее.

Еще задолго до появления теории потенциальной помехоустойчивости инженерами были найдены некоторые важные принципы повышения помехоустойчивости приема в каналах с многолучевостью. Эти принципы иногда забывались. Но ничто не уходит безвозвратно, и эти принципы затем вновь переоткрывались. Иногда к одним и тем же техническим решениям приходили независимо примерно в одно и то же время разные разработчики. Сегодня можно считать, что благодаря исследованиям, выполненным в 50—80-е гг., основные принципы построения эффективных систем приема сигналов в каналах связи с многолучевостью установлены и твердо обоснованы.

Алгоритмы обработки сигналов и помехоустойчивость приема исследовались для разных каналов связи: с общими и селективными замираниями сигналов, с разнесенным приемом сигналов и с многолучевостью. Каналы с общими замираниями характеризуются тем, что их частотная характеристика равномерна в пределах полосы ча- стот, занимаемой спектром передаваемого сигнала, и замирания всех составляющих этого спектра происходят полностью коррелированно. При селективных замираниях частотная характеристика канала неравномерна и корреляция замираний отдельных частотных составляющих сигнала может иметь незначительную корреляцию.

Исследования в области потенциальной помехоустойчивости были наиболее широко развернуты в нашей стране и в США. Ряд важных работ был выполнен в Великобритании и Японии.

3.1. Модели многолучевых каналов связи

Âтеории потенциальной помехоустойчивости В.А. Котельникова рассматривались задачи приема сигналов в канале с постоянными и точно известными параметрами. Однако параметры реальных каналов связи, в первую очередь радиоканалов, в большинстве случаев непрерывно изменяются.

Âканалах связи с многолучевым распространением радиоволн в место приема сигнал приходит несколькими путями (лучами). Лучи могут отличаться своими параметрами: временем и направлением прихода, а также поляризацией. Они могут иметь

èнесколько отличающиеся частоты.

Интерференция лучей вызывает флуктуации амплитуды и фазы принимаемого суммарного сигнала, в результате чего снижается помехоустойчивость приема. Для разных механизмов распространения радиоволн характерна разная степень многолу- чевости. В коротковолновом канале возможен приход в место приема всего нескольких лучей. Такой канал называется каналом с дискретной многолучевостью. Для тропосферного канала свойственна непрерывная многолучевость, когда в место приема приходит бесконечно много лучей, переотраженных областью тропосферы, облучаемой передающей антенной.

Интерференция лучей в месте приема приводит к следующим явлениям:

•значительным пространственным интерференционным колебаниям уровня электромагнитного поля сигнала в месте приема, обусловленным отличиями направлений прихода лучей;

•значительным отличиям между уровнями напряженности компонентов суммарного электромагнитного поля разной поляризации в одном месте приема, возникающим из-за интерференции приходящих лучей;

•неравномерности частотной характеристики канала связи, в результате которой некоторые частотные компоненты передаваемого сигнала в месте приема имеют высокий уровень, а некоторые подавляются в результате интерференции приходящих лучей с разным запаздыванием;

•непрерывным изменениям во времени уровней принимаемого сигнала в пространственной, поляризационной и частотной областях из-за отличий частот

сигналов, приходящих в место приема разными путями.

Эти особенности многолучевого распространения радиоволн позволяют, применяя несколько приемных антенн, разнесенных в пространстве или имеющих разную поляризацию, или же передавая одни и те же сигналы, разнесенные по частоте либо по времени, существенно повысить надежность связи за счет того, что уровень хотя бы одного из принимаемых сигналов будет значительным.

Указанные особенности еще в 30-х гг. натолкнули инженеров на идею использования разнесенного приема сигналов для повышения помехоустойчивости. Разные виды систем разнесенного приема были изобретены инженерами еще до возникновения четких представлений о природе замираний и задолго до создания теории потенциальной помехоустойчивости. Однако только теория дала основу для сравнения по помехоустойчивости и по сложности реализации разных систем разнесенного приема.

Впервые идея разнесенного приема была предложена и реализована голландским инженером А. де Хаасом в 1927 г. при организации радиотелефонной коротковолновой линии между островом Ява и Голландией [1]. Известные американские инженеры Г. Беверейдж и Г. Петерсон применили разнесенный прием в 1931 г. в радиотелеграфной связи [2], а в 1937 г. для коротковолновой линии связи между США и Англией американскими инженерами Г.Т. Фрисом и Г.Б. Фельдманом была создана многолу- чевая антенная система [3], позволяющая на приеме разделять приходящие лучи по углу прихода в вертикальной плоскости (углу места) и осуществлять их сложение, устраняя тем самым замирания принимаемого сигнала.

Начало теоретических исследований эффективности систем разнесенного приема, основанных на применении методов теории вероятностей, относится к 30-м гг. Пер-

Глава 3. Очерк истории создания и развития теории потенциальной помехоустойчивости 241

вые работы в этом направлении были выполнены известными учеными — англичанином Т.Л. Экерслеем [4] и отечественными специалистами В.И. Сифоровым [5], В.А. Котельниковым [6], Н.И. Шумской [7] и А.Н. Щукиным [8].

Однако всесторонние исследования вопросов, связанных с помехоустойчивостью систем разнесенного приема, были выполнены лишь после создания теории потенциальной помехоустойчивости и базировались на ее идеях.

3.2.Прием сигналов в каналах с общими замираниями в ветвях разнесения

Одинарный прием сигналов в условиях замираний уровня принимаемых сигналов требует строительства радиолиний со значительным энергетическим потенциалом, перекрывающим необходимый для обеспечения надежной связи запас на замирания. Применяя разнесенный прием, можно существенно уменьшить энергетику линий радиосвязи и повысить помехоустойчивость их приема.

При проектировании систем разнесенного приема перед инженером возникает ряд проблем, связанных с обработкой сигналов, принимаемых в ветвях разнесения и имеющих, как правило, различные уровни и фазы. Можно измерять уровни и фазы принимаемых сигналов и использовать результаты измерений для их когерентного сложения с соответствующими весами (системы когерентного сложения сигналов); можно измерять только уровни принимаемых сигналов и осуществлять прием сигналов той ветви разнесения, где этот уровень максимальный (системы автовыбора); можно обойтись без всяких измерений и в каждой ветви разнесения осуществлять демодуляцию сигналов и складывать сигналы, полученные на выходах демодуляторов (системы некогерентного сложения сигналов). Для инженера, проектирующего такие системы, важно знать, какой выигрыш в помехоустойчивости могут дать разные методы обработки принимаемых сигналов и как растет этот выигрыш с увели- чением числа ветвей разнесения. Следует отметить, что эффективность систем разнесенного приема зависит также от степени корреляции замираний сигналов в ветвях разнесения.

Независимые замирания сигналов в ветвях разнесения. Одно из первых исследований помехоустойчивости систем разнесенного приема сигналов выполнил еще в 1947 г. видный советский ученый В.С. Мельников [9]. Позже (с 1958 г.) в его работах теория В. А. Котельникова была развита применительно ко многим реальным проблемам приема сигналов в многолучевом канале связи.

К одной из первых теоретических работ, в которых были рассмотрены разные методы разнесенного приема в коротковолновой связи и определена их помехоустойчивость, следует отнести диссертацию отечественного ученого Е.А. Хмельницкого (1954 г., Московский электротехнический институт связи), результаты которой [10] были опубликованы только в 1960 г. Помимо оценки эффективности разных систем разнесенного приема, в работе указаны принципы построения аппаратуры для этих систем и рассмотрены особенности замираний сигналов на коротких волнах.

Фундаментальные теоретические исследования в этом направлении были выполнены в 1955—1958 гг. выдающимся советским ученым профессором Л.М. Финком. Эти результаты вошли в первую его книгу [11].

Л.М. Финком были всесторонне рассмотрены многие вопросы теории приема сигналов в каналах со случайными параметрами. Для каналов с неопределенной фазой сигналов он исследовал прием М-позиционных ортогональных сигналов, рассмотрел прием таких сигналов в каналах с гладкими рэлеевскими замираниями с использованием разнесенного и одинарного приема. Для систем двухкратного разнесенного приема он исследовал влияние корреляции замираний в ветвях разнесения на помехоустойчивость приема и показал, что это влияние незначительно.

Ученики Л.М. Финка также провели исследования в области разнесенного приема сигналов. Один из них, И.С. Андронов, в 1964—1966 гг. исследовал помехоустойчивость разнесенного приема различных сигналов при когерентном и некогерентном сложении. Им впервые были выполнены исследования помехоустойчивости систем разнесенного приема сигналов в случае, когда замирания в ветвях разнесения происходят по закону Райса, а также когда в каждой ветви разнесения с определенной точностью осуществляются измерения интенсивности и фазы принимаемых сигналов. И.С. Андроновым и Л.М. Финком совместно была написана одна из наиболее полных в мировой технической литературе книг по теории систем разнесенного приема [12], в которой представлены результаты исследований в этой области, полученные до 1969 г.

Ряд важных результатов в теории приема сигналов в системах разнесенного приема были получены крупным советским ученым и педагогом, профессором Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (ПГАТИ) в Самаре Д.Д. Кловским. Он исследовал помехоустойчивость приема М-сигналов, когда замирания в ветвях разнесения подчиняются законам Райса или Накагами. Впервые в его работах был дан анализ помехоустойчивости приема сигналов при действии флуктуационной и сосредоточенной помех [13].

Многие значительные результаты теории разнесенного приема были получены профессором Н.П. Хворостенко — ведущим научным сотрудником одного из военных исследовательских институтов. Им были проведены обстоятельные исследования помехоустойчивости широко применяемых на практике систем оптимального разнесенного приема сигналов с амплитудной, фазовой и частотной манипуляциями, результаты которых вошли в его книгу [14].

Основополагающие исследования помехоустойчивости систем разнесенного приема были выполнены американскими учеными Дж. Л. Туриным, И.Н. Пирсом и В.К. Линдсеем. В 1958—1963 гг. Дж. Л. Турин разработал статистическую теорию разнесенного приема сигналов в каналах с многолучевостью и определил помехоустойчивость оптимальных систем [15—17].

Исследованию помехоустойчивости систем разнесенного приема были посвящены многочисленные работы. Одна из первых подобных работ была выполнена американским ученым И.Н. Пирсом [18], рассмотревшим систему приема сигналов с ЧМн.

Точные формулы для вероятности ошибочного приема сигналов в системах с различной модуляцией и с разными алгоритмами обработки и сложения принимаемых сигналов очень сложны, как правило, для расчетов. В работах В.К. Линдсея [19, 20] и М.А. Быховского [21] были разработаны эффективные методы приближенной оценки вероятности ошибочного приема (Рîø) и получены простые в расчетном отношении формулы для Рîø.