Лекции по Разделению каналов по форме в широкополосных СПИ   

1. Многоканальные радиотехнические системы передачи информации

1.3. Комбинационное объединение и многопозиционное кодирование сигналов в РТС

Описанные выше ЧРК, ВРК, РКФ относятся к линейным методам объединения, при которых групповой сигнал формируется как линейная сумма канальных сигналов. Для линейного объединения характерно равномерное распределение средней мощности передатчика по всем каналам. Если в каналах используются статистически одинаковые источники, то на каждый канал приходится часть средней мощности передатчика.

Повысить эффективность использования средней мощности передатчика в многоканальных системах можно, используя комбинационное объединение сигналов. Комбинационный принцип обычно применяется при объединении синхронных двоичных сигналов. Канальные сигналы определяются комбинациями символов всех K объединяемых источников. Таких комбинаций всего , и каждой комбинации должен соответствовать свой сигнал. Например, при уплотнении 3 источников могут быть следующие комбинации символов источников: 000, 001, 010, 011 и т.д. - всего 8 комбинаций. В устройстве объединения каждой комбинации ставится в соответствие определенный канальный сигнал . На рис.1.5а иллюстрируется принцип комбинационного объединения (КО).

В приемнике - ичный сигнал должен быть расщеплен на абонентских сигналов. Приемное устройство строится как оптимальный различитель сигналов с использованием трактов корреляционной обработки. Структурная схема преемника при КО представлена на рис.1.6. В нем напряжения с выходов корреляторов подаются на схему выбора максимума. Эта схема выносит решение, в каком тракте сигнал принимает наибольшее значение. Но каждый тракт соответствует какой-то комбинации символов объединяемых источников. Далее дешифратор формирует соответствующие кодовые комбинации и распределяет их по получателям. Дешифратор имеет выходов.

При комбинационном объединении фактически используются многопозиционные сигналы, при которых символы одного двоичного сообщения объединяются в группы по символов. Процесс формирования многопозиционного сигнала поясняется рис.1.5б. Каждый сигнал имеет длительность в раз больше длительности двоичного символа и содержит количество информации бит. На рис.1.5б и длительность сигнала . Приемник строится как многоканальный коррелятор, но дешифратор имеет один выход и выдает информацию в последовательном коде. Помехоустойчивости многопозиционных сигналов исследовалась в ряде работ, например, /2, 15, 17/. Результаты этих исследований можно использовать для оценки помехоустойчивости при комбинационном объединении.

Вероятность ошибки при гауссовской помехе при многопозиционных сигналах рассчитана на ЭВМ. В /17/ и приложении 2 приведены таблицы вероятности ошибочного приема комбинации из K символов и одного символа для . Вероятность ошибочного приема комбинации из k символов для ортогональных сигналов можно представить приближенной формулой

(1.4)

Рис. 1.5. Принципы формирования группового сигнала при комбинационном объединении сигналов (а) и при многопозиционных сигналах (б)

Рис.1.6. Структурная схема приемника при комбинационном объединении сигналов

где - отношение энергии сигнала длительностью Т к спектральной плотности шума; - вероятность ошибки, которая обеспечивалась бы в двоичной системе при использовании каких-то двух из канальных сигналов

, . (1.5)

(Таблицы для приведены в /6/).

Выражение (1.4) требует пояснения. Вероятность ошибки определяется при увеличенной в раз энергии сигнала по сравнению с двоичной системой. Это увеличение энергии происходит за счет увеличения длительности канальных сигналов: в двоичной системе длительность сигнала , при многопозиционных сигналах - (см. рис.1.5). Но при приеме с помощью многоканального коррелятора происходит увеличение вероятности ошибки приблизительно в раз за счет того, что схема выбора максимума сравнивает по уровню сигналов. Поэтому в (1.4) есть множитель .

При этом следует иметь в виду, что ошибочный прием комбинации не приводит к ошибочному приему всех двоичных символов. Например, если при передаче группы 001 вынесено решение с ошибкой в пользу комбинации 011, то ошибочно будет принят только один символ. В результате этого вероятность ошибочного приема одного символа при ошибочном приеме комбинации будет равна . Тогда вероятность ошибочного приема двоичного символа будет определяться следующим выражением:

. (1.6)

Значения вероятности ошибочного приема символа сообщения при многопозиционных сигналах для представлены на рис. 1.7 (кривая 1). На этом же рисунке представлены кривые зависимости ошибки в двоичной системе от при использовании противоположных и ортогональных сигналов, рассчитанные по формуле:

, (1.7)

Рис.1.7. Вероятность ошибочного приема одного символа сообщения в одноканальной системе (1 - при многопозиционных сигналах, ; 2 - при противоположных сигналах; 3 - ортогональных сигналах) и при комбинационном объединении 10 источников, ортогональные сигналы (кривая 4)

где для противоположных сигналов, для ортогональных сигналов (кривые 2 и 3 соответственно).

Из рис.1.7 видно, что многопозиционные сигналы дают значительный выигрыш по энергетике по сравнению с двоичными. Например, для получения вероятности ошибки требуется при многопозиционных сигналах , а при двоичных противоположных - , т.е. в 7 раз больше. Это показывает, что в многопозиционном кодировании заложены огромные возможности по повышению эффективности использования мощности передатчика.

При комбинационном объединении вероятность ошибки будет определяться формулой, аналогичной (1.6), но энергия сигнала должна быть уменьшена в раз, так как длительность сигнала при объединении не увеличивается (см.рис.1.5):

. (1.8)

При пользовании таблицами приложения 2 для комбинационного объединения следует иметь в виду, что определенная величина вероятности ошибки будет соответствовать значению , которое в раз больше табличного значения .

Вероятность ошибочного приема символа одного источника при комбинационном объединении приведена на рис.1.7 (кривая 4). Многоканальная передача требует увеличения энергетических затрат по сравнению с одноканальными системами (кривые 1,2,3 на рис.1.7), и это естественно. Но комбинационное объединение требует значительно меньшего увеличения энергетических затрат, чем линейные методы объединения.

Рис.1.8. Энергетическая цена многоканальной передачи при комбинационном (кривая 1) и временном (кривая 2) объединении

На рис.1.8 представлена зависимость энергетической цены многоканальной передачи при комбинационном объединении (кривая 1) и пи ВРК (кривая 2). При ВРК, как показано в §1.3, энергетическая цена равна числу уплотняемых источников . При комбинационном объединении энергетическая цена также линейно меняется с ростом , но значительно медленнее: при энергетическая цена при комбинационном объединении равна 2,1, при ВРК – 10.

К настоящему времени комбинационное объединение реализовано только применительно к узкополосным системам при малом числе объединяемых сигналов. Это широко известные двойная частотная телеграфия (ДЧТ) и двойная фазовая телеграфия (ДФТ). Чаще используется двойная относительная фазовая телеграфия (ДОФТ). Эти методы ДЧТ, ДФТ и ДОФТ позволяют объединить двоичные сигналы всего двух источников информации.

Определенные комбинации символов двух источников соответствуют отрезкам гармонических колебаний с определенными частотами при ДЧТ и с определенными фазовыми сдвигами , при ДФТ. Это иллюстрируется табл.1.1. Четыре значения фазы при ДФТ или ДОФТ имеют сдвиг относительно друг друга, кратный . Например, , , , .

Таблица 1.1

Символы

1-го ист.

1

1

0

0

2-го ист.

1

0

1

0

Сигналы

при

ДТЧ

f1

f2

f3

f4

ДФТ

ДОФТ

φ1

φ2

φ3

φ4

Двукратная ЧТ расширяет спектр по сравнению с одноканальной системой с ЧТ в 2 раза, как при линейном частотном объединении. Однако энергетическая цена значительно меньше: 1,1, a при частотном объединении значительно больше 2 за счет пикфактора группового сигнала. Структурная схема приемного устройства при ДЧТ приведена на рис.1.9. Принятый сигнал разделяется фильтрами выходы которых подключаются к детекторам. Соединения детекторов с фильтрами выполнены в соответствии с табл.1.1.

Двукратная относительная фазовая телеграфия. Рассмотрим несколько подробнее ДОФТ. Схема демодуляции и разделения чаще всего выполняется с использованием коммутируемых высокодобротных фильтров. Структурная схема приемного устройства ДОФТ представлена на рис.1.10

Фильтры Ф1 и Ф2 настроены на среднюю частоту сигналов. Коммутатор каналов КК поочередно подключает принятые посылки то к фильтру Ф1, то к фильтру Ф2. К моменту подключения следующей посылки колебания в фильтре должны быть погашены. Это осуществляется подключением выходов фильтров к нулевому потенциалу, для чего используется специальные импульсы гашения. Сигнал коммутации для коммутатора каналов и импульсы гашения вырабатываются устройством синхронизации. Когда входной сигнал подключается к Ф2, в Ф1 колебания предыдущей посылки сохраняются.

Рис.1.9. Структурная схема приемного устройства при ДТЧ

Рис.1.10. Структурная схема приемного устройства при ДОФТ

Сигнал фильтра Ф1 используется в качестве опорного для фазового детектора ФД2, а сигнал фильтра Ф2 - для фазового детектора ФД1. Работа схемы иллюстрируется рис.1.11.

Первые три строки этого рисунка (а, б, в) представляют информации источников и фазовый сдвиг посылок при использовании ДОФТ. Следующие строки относятся к приемной части системы. На строках (г-ж) приводятся служебные сигналы: сигналы коммутации фильтров и импульсы гашения. В строках (з, и) представлено напряжение на выходах фильтров: огибающая и фаза гармонического колебания. Во время подключения посылки напряжение линейно возрастает, фаза устанавливается равной фазе посылки. Затем происходит переключение фильтров, от рассматриваемого фильтра сигнал отключается, напряжение на его выходе сохраняется благодаря высокой добротности фильтра. Далее осуществляется гашение сигнала: под воздействием импульса гашения амплитуда напряжения на выходе резко снижается до нуля. В фазовом детекторе ФД1 сравниваются по фазе два колебания - с Ф1 и Ф2. Разность фаз этих сигналов записана в строке (к). Напряжение на выходе ФД пропорционально косинусу разности фаз, и в строке (л) представлена полярность напряжения на выходе ФД1. Решающее устройство выносит решение «1», если напряжение на его входе положительно, и «0» при отрицательном напряжении. Сравнение решения с информацией 1-го источника показывает, что демодуляция первого сообщения проведена правильно (помехи отсутствуют). Для второго тракта следует провести аналогичные рассуждения, но на ФД2 сигнал фильтра Ф1 подается через фазовращатель, который меняет фазу на . Фаза сигнала на выходе фазовращателя представлена на строке (о). Решение, представленное на строке (с), соответствует информации, переданной вторым источником.

Основным препятствием на пути широкого использования комбинационного объединения до настоящего времени была ограниченность ансамбля ортогональных сигналов, существующая в рамках узкополосных систем (напомним, что объем ансамбля ортогональных сигналов определяется базой сигналов). Кроме того, увеличение кратности объединения приводило, как правило, к значительному расширению полосы частот канала, например, при многократной ЧТ, и к значительному усложнению приемного устройства, так как число трактов обработки сигналов с ростом кратности объединения увеличивается по показательному закону.

Использование комбинационного объединения сигналов наиболее перспективно в широкополосных системах, где для передачи двоичных сообщений используются сигналы с большой базой.

Рис.11. Обработка ДОФТ - сигнала в демодуляторе с коммутируемыми фильтрами

При большой базе можно получить большой ансамбль ортогональных или квазиортогональных сигналов и это не будет связано с расширением спектра /2, 11, 18/.

Основным сдерживающим фактором использования комбинационного объединения сигналов в широкополосных системах связи является трудность технической реализации многоканального коррелятора.

Но это проблема временная, так как цифровые методы обработки сигналов, состояние современной и будущей элементной базы позволяют реализовать уже сейчас сложнейшие приемные устройства.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.