Запомните основные положения. 14.1. Детектирование АМ сигнала осуществляется нелинейным' элементом с последующей фильтрацией низкочастотных составляющих

14.1. Детектирование АМ сигнала осуществляется нелинейным' элементом с последующей фильтрацией низкочастотных составляющих.

14.2. Для детектирования ОМ и БМ сигналов используется синхронный детектор с восстановленной несущей.

14.3. Фазовое детектирование можно осуществить только путем сравнения ФМ сигнала с колебаниями опорного синхронного генератора.

14.4. Для детектирования ЧМ сигнал предварительно преобразуется в другой вид модуляции.

14.5. Детектирование сигналов импульсных видов модуляции, как правило, производится ФНЧ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

14.1. Для чего необходим нелинейный элемент при амплитудном детектировании?

14.2. В чем состоит отличие между линейным и квадратичным детектированием АМ?

14.3. Какими устройствами можно осуществить детектирование ОМ и БМ. сигналов? Перечислите преимущества и недостатки синхронного детектора.

14.4. Для чего передается пилот-сигнал в системах с ОМ и БМ?

14.5. Для чего необходим опорный генератор при фазовом детектировании? 14.6. Почему при частотном детектировании осуществляется преобразование ЧМ сигнала в другие виды модуляции?

14.7. Объясните необходимость включения амплитудного ограничителя перед ФД и ЧД.

14.8. Какие преимущества имеют ключевой ФД и частотно-импульсные детторы ЧМ сигнала?

14.9. Необходим ли нелинейный элемент для детектирования импульсных. видов модуляции?

ЗАДАЧИ

14.1. В последовательности АД используется диод, аппроксимация ВАХ которого кусочнолинейная ($=70 мА/В). Сопротивление нагрузки 100 кОм. Определить коэффициент передачи детектора.

О т в е т: к =0,992.

14.2. На входе ЧД кроме полезного сигнала действует помеха в виде суммы двух гармонических колебаний с одинаковыми амплитудами и частотами,

отличающимися от несущей на 200 и 900 Гц. Будут ли равными амплитуды

составляющих помехи на выходе ЧД?

Ответ: Отличаются в 4,5 раза.

Глава 15. Основы теории помехоустойчивости.

Основные понятия помехоустойчивости.

О п р е д е л еж и я. Для электросвязи задача обеспечения помехоустойчивости является одной из главных. Система связи должна быть спроектирована и эксплуатироваться так, чтобы она ирн наличии помех обеспечивала заданное качество передачи сигналов и сообщений. Расчет влияния помех на передачу сигналов и разработка способов уменьшения этого влияния является основными вопросами, решаемыми в теории помехоустойчивости.

Под помехоустойчивостью системы связи понимают способность системы различасть (восстанавливать) сигналы с заданной достоверностью при наличии помех. Формулировка понятия помехоустойчивости, данная в ф 1.4 — способность системы связи противостоять вредному действию помех — адекватна вышеприведенной, но более близка к физическому толкованию помехоустойчивости: устойчивости системы связи к помехам, способности правильно функционировать при наличии помех.

.Задача определения помехоустойчивости всей системы связи в целом весьма сложна, поэтому часто определяют помехоустойчивость отдельных звеньев, например приемника при заданном способе передачи, системы кодирования, вида модуляции и т. д. В общем случае помехоустойчивость системы связи зависит от вида передаваемых сообщений, уровня и характеристик помех, параметров составных частей системы. Потенциальная и реальная помехоустойчивость. Под потенциальной помехоустойчивостью понимают пре дельно достижимую помехоустойчивость при заданных сигналах и помехах. Эту помехоустойчивость обеспечивает специально сконструированный оптимальный (наилучший) приемник. Потенциальная помехоустойчивость определяет то предельное качество, которое можно получить в заданной системе связи, но нельзя превысить никакими способами обработки сигнала при существующей помехе.

Реальная помехоустойчивость — это помехоустойчивость системы связи или отдельных ее звеньев с учетом реального выполнения и настройки узлов канала электросвязи (передающего приемного трактов, линии связи, кодека, модема и т. д.). Ведь теоретически и технологически не все узлы канала связи можно сделать идеально с требуемыми параметрами. Да и при эксплуатации имеются всегда погрешности установки параметров тех или иных узлов. Реальная помехоустойчивость зависит от множества факторов и параметров отдельных звеньев системы связи и всегда меньше теоретически предельной потенциальной помехоустойчивости.

Основы теории потенциальной помехоустойчивости разработаны в 1946 г. акад. В. А. Котельниковым. В ней решаются три основных задачи, которые и рассматриваются ниже:

1) синтез оптимального приемника, т. е. отыскание структурной схемы приемника, который обеспечивает наилучшее в том или ином смысле качество приема;

2) анализ работы оптимального приемника, т. е. вычисление качества приема сообщений (сигналов), обеспечиваемого этим приемником;

3) сравнение потенциальной и реальной помехоустойчивости Для практики последняя задача имеет особое значение. Ведь проводить сравнение реальной помехоустойчивости различных схем, устройств, способов обработки, видов модуляции не имеет смысла. Во-первых, таких схем существует сотни и число их про- должает расти, во-вторых, низкая помехоустойчивость какой- либо схемы еще не означает, что она плохая. Может быть, просто неудачно подобраны параметры. Именно сравнение потенциальной и реальной помехоустойчивости позволяет дать оценку качества реального устройства и найти еще не использованные резервы. Зная, например, потенциальную помехоустойчивость приемника, можно судить, насколько близка к ней реальная помехоустойчивость существующих способов приема и насколько целесообразно их дальнейшее совершенствование при заданном способе передачи. Сведения о потенциальной помехоустойчивости при различных способах передачи позволяют сравнить эти способы между собой и указать, какие из них в этом отношении являются лучшими.

Количественная мера помехоустойчивости. Для теоретических расчетов как потенциальной, так и реальной помехоустойчивости применяются прямые методы оценки качестве (см. §1.4).

При передаче дискретных первичных сигналов это вероятность ошибки

Р_ош(u_i)= _ош/N (15.1)

где, как и при определении коэффициента ошибок,,Nош — число ошибочно принятых первичных сигналов, N — общее число переданных сигналов.

При передаче непрерывных первичных сигналов и (t) достоверность оценивается с помощью среднеквадратического отклонения принятого сигнала от переданного:

[u_ПР(t)-u(t)]² dt

где t,— время передачи сигнала; u(t), uпр(l) — переданный и принятый сигналы соответственно. Разность ипр(t) — u(t) определяет отличие принятого первичного сигнала от переданного и физически означает помеху на выходе приемника. Поэтому ²u(t)— средняя мощность помехи на выходе приемника, т. е. ²u(t)=Рп.вых. Обычно мешающее действие помехи определяется в сравнении с сигналом по величине отношения сигнал помеха на выходе приемника р,. Численно рвых равно отношению средних мощностей сигнала Рс.вых, и помехи Рп.вых на выходе приемника:

рвых= Рс.вых / Рп.вых (15.3)

Если отношение сигналпомеха рвых выразить в децибелах, то по лучим разность уровней сигнала и помехи (см. ф 2.7). Таким образом, отношение сигнал помеха на выходе демодулятора приемника рвых (15.3) наряду со среднеквадратическим отклонением ²u(t)— (15.2) являются количественной мерой помехоустойчивости передачи непрерывных первичных сигналов.

15.2. ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

Критерии оптимальности. Понятие оптимального (наилучшего) можно рассматривать, только четко установив, в каком смысле понимается оптимальность. Для этого в каждом конкретном случае вводится критерий оптимальности — признак, на основании которого производится оценка того или иного физического процесса как наилучшего. Выбор критерия оптимальности не является универсальным, он зависит от поставленной задачи и условий работы. Различными критериями оптимальности пользуются не только в теории приема сигналов, но и в различных других областях науки и техники, в повседневной жизни. Без величину ²u(t)—часто называют также среднеквадратической разностью, или среднеквадратической ошибкой, волнистая черта означает математическую операцию усреднения во времени.

четко определенного критерия оптимальность теряет смысл. Попробуйте, например, определить, что означает фраза «Это для меня оптимальный вариант поездки». В каком смысле? В требуемое время, с максимумом удобств, с приемлемой скоростью, при минимуме затрат и т. д. От выбора критерия оптимальности будет зависеть решение.

При передаче дискретных сигналов широко используется критерий идеального наблюдателя, впервые введенный В. А. Котельниковым в 1946 г. Часто этот критерий называют критерием Котельникова. Согласно ему тот приемник считается оптимальным, который обеспечивает минимум полной вероятности ошибки. При передаче первичных сигналов и; полная вероятность ошибки Р ош, вычисляется как математическое ожидание вероятности ошибки Рош(uі) каждого из них:

Р_ош=М[Ро_ш(u_i)]= P(u_i)Р_ош(u_i)

где Р(i) — вероятность передачи сигнала ui;m-o щее число первичных сигналов. Тогда критерий Котельникова (идеального наблюдателя) записывается в виде

min Р_ош=min P(u_i)Р_ош(u_i) (15.4)

Несмотря на естественность и простоту, критерий Котельникова имеет недостаток, заключающийся в том, что все ошибки считаются одинаково нежелательными. В некоторых случаях та- кое допущение не является рациональным. Например, при передаче чисел ошибка в перовых значащих цифрах более опасна, чем ошибка в последующих цифрах. В этом случае используются другие критерии оптимальности, учитывающие степень нежелательности той или иной ошибки.

Алгоритм оптимального приема. Сущность оптимального приема состоит в том, что в приемнике необходимо применить такую обработку смеси сигнала с помехой, чтобы обеспечить выполнение заданного критерия. Эта совокупность правил обработки в приемнике носит название алгоритма оптимального приема заданного сигнала на фоне помех. Алгоритм находят статистическими методами, зная параметры передаваемых сигналов и вероятностные характеристики помех.

Для наиболее часто встречающегося на практике случая передачи двоичных первичных сигналов u1 и u2 длительностью ts, сигналами s1(t) и s2(t), сформированными методами амплитуд- ной (АМн), частотной (ЧМн) и фазовой (ФМн) манипуляций (см. рис. 3.12) в канале с аддитивным гауссовским шумом, алгоритмы оптимального приема приведены в табл. 15.1. Эти алгоритмы отражают широко применяемый поэлементный прием, когда решение о переданном сигнале принимается отдельно для каждого сигнала, независимо от принятого ранее.

Все алгоритмы табл. 15.1 представляют собой неравенства,указывающие последовательность операций, которые необходимо провести с принятой суммой сигнала и помехи z(t), и правило определения переданного первичного сигнала n.Проанализируем подробно один из них, например для сигналов с ЧМн. Принятый сигнал с помехой z(t) следует умножить отдельно на копии передаваемых сигналов s1(t) и s2(t), произведения проинтегрировать на интервале длительности сигнала t, и далее сравнить результаты интегрирования. По большему из них и выносится решение, какой же первичный сигнал передавался. Так,если

z(t)s₁(t)dt больше z(t)s2(t)dt то передавался сигнал s₁(t), которому соответствует первичный сигнал u1, а при обратном знаке неравенства — первичный сигнал u₂. Это правило отмечено в алгоритме тем, что возле знака неравенства стоит тот

сигнал (u1 или u2), в пользу которого выносится решение.Для сигналов с АМн и ФМн в алгоритмах такие же операции, но сравнение результата интегрирования проводится с по.

рогом, равным половине энергии сигнала s1(t) для АМн и нулевым —.для ФМн.

С х е м ы п т и м а л ь н ы х р и е м н и к о в. Методика построения структурных схем устройств по заданному алгоритмувесьма проста: необходимо реализовать операции в той последовательности, как предписано алгоритмом. Исходя из этого правила на рис. 15.1 приведены схемы оптимальных приемников,построенные по алгоритмам табл. 15.1. Для сигналов с ЧМн схема двухканальная (рис. 15.1,6). В каждом канале принятый сигнал z(t) умножается на копию передаваемого сигнала (s1(t) — впервом канале и s2(t) — во втором), вырабатываемую генераторами G1 или G2. Полученное произведение интегрируется.

Рис.15.1 Структурные схемы оптимальных когерентных приемников(демодуляторов)