14.2. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛА НА ВЫБОР МОДЕЛИ КАНАЛА
Обсудив в общем
статистические характеристики переменных во времени многопутевых каналов через
корреляционные функции, описанные в разделе 14.1, теперь рассмотрим влияние
характеристик сигналов на выбор подходящей модели канала. Пусть
является
эквивалентным низкочастотным сигналом, передаваемым по каналу, а
означает
его частотное отображение. Тогда эквивалентный низкочастотный принимаемый сигнал,
исключая аддитивный шум, можно выразить или через
во временной области
(14.2.1)
или через частотные
функции
и
так
(14.2.2)
Предположим, что мы
передаем цифровую информацию по каналу путем модуляции (по амплитуде или фазе
или одновременно по обоим параметрам) базового импульса
со скоростью
, где
- сигнальный
интервал. Из (14.2.2) очевидно, что меняющийся во времени канал,
характеризуемый передаточной функцией
искажает сигнал
. Если
имеет полосу
частот
большую,
чем полоса когерентности канала
,
подвержено различным ослаблениями
и фазовым сдвигам по полосе. В этом случае канал называется частотно-селективным.
Дополнительное искажение обусловлено изменениями во времени
. Этот вид искажений
проявляется как изменение интенсивности принимаемого сигнала и называется
замиранием. Следует подчеркнуть, что частотная селективность и замирания
рассматриваются как два различных вида искажений. Первая зависит от
многопутевого рассеяния или, что эквивалентно, от отношения полосы частотной
когерентности к полосе передаваемого сигнала
. Второе зависит от изменения
канала во времени, которое грубо характеризуется временной когерентностью,
или, что
эквивалентно, доплеровским рассеянием
.
Влияние канала на
передаваемый сигнал
зависит от нашего выбора
полосы сигнала и его длительности. Для примера, если мы выбираем длительность
сигнала
так,
чтобы удовлетворить условие
, то канал вводит пренебрегаемый
уровень межсимвольной интерференции. Если полоса сигнального импульса
равна
, то условие
предполагает,
что
, (14.2.3)
Это значит, что полоса
намного
меньше полосы частотной когерентности канала. Следовательно, канал неселективен
по частоте. Другими словами, все частотные компоненты
подвергаются одинаковым
ослаблениям и фазовым сдвигам при. передаче по каналу. Но это подразумевает,
что внутри полосы
переменная во времени
передаточная функция
канала является комплексной
величиной, постоянной по частотной переменной. Поскольку
имеет концентрацию спектра
вблизи
,
то существенное значение имеет
. Следовательно, (14.2.2) сводится к
(14.2.4)
Таким образом, когда
полоса частот сигнала
намного меньше полосы
частотной когерентности
канала, принимаемый сигнал равен
просто переданному сигналу, умноженному на комплексный случайный процесс
, который
представляет переменную во времени передаточную функцию канала. В этом случае
мы видим, что многопутевые компоненты в принимаемом сигнале неразличимы
поскольку
.
Передаточную функцию
для неселективного
по частоте канала можно выразить в виде
(14.2.5)
где
представляет огибающую, а
представляет фазу
эквивалентного низкочастотного канала. Если
комплексный гауссовский
случайный процесс с нулевым средним, то
распределено по Релею для любого
фиксированного момента
, а
имеет равномерное распределение
на интервале
.
Скорость замираний в неселективном по частоте канале определяется или
корреляционной функцией
или доплеровским спектром мощности
. Альтернативно,
канальные параметры
или
можно использовать для
характеристики скорости замираний.
Для примера, предположим,
что возможно выбрать полосу частот
, удовлетворяющую условию
и сигнальный
интервал
,
удовлетворяющий условию
. Поскольку
меньше чем интервал
временной когерентности канала ослабление канала и фазовый сдвиг по существу
постоянны по крайней мере на сигнальном интервале. Когда это условие
выполняется мы называем канал каналом с медленными замираниями. Далее,
когда
условие,
что канал неселективен по частоте и с медленными замираниями предполагает, что
произведение
и
должно
удовлетворять условию
.
Произведение
называют фактором
рассеяния канала. Если
, канал считается с низким
рассеянием, в противном случае - с высоким рассеянием. Многопутевое рассеяние,
Доплеровское рассеяние и фактор рассеяния даны в табл.14.2.1 для различных
каналов. Мы видим из этой таблицы, что различные радиоканалы, включая и канал,
образованный отражением от Луны, как от пассивного отражателя, являются каналами
с низким рассеянием. Следовательно, возможно выбрать сигнал
так, чтобы эти
каналы были неселективны по частоте с медленными замираниями. Условие медленности
замираний предполагает, что характеристики канала меняются достаточно медленно,
так что их можно измерить.
В разделе 14.3 мы хотим
определить вероятность ошибки для двоичной передачи по каналу, неселективному
по частоте и с медленными замираниями. Эта модель канала является простейшей
для анализа. Важнее то, что по характеристикам качества передачи цифровой
информации по каналу с замираниями можно подсказать тот вид сигналов, которые
успешно преодолевают замирания, вызванные каналом.
Таблица 14.2.1. Многолучевое рассеяние, доплеровское
рассеяние и фактор рассеяния для некоторых многолучевых каналов с замираниями
Тип канала
|
Многолучевое рассеяние
|
Доплеровское рассеяние
|
Фактор рассеяния
|
Коротковолновое ионосферное распространение (ВЧ - HF)
|
|
|
|
Ионосферное распространение по возмущённым полярным трассам
(ВЧ - HF)
|
10...100
|
Дальнее ионосферное распространение (ОВЧ - VHF)
|
|
10
|
Тропосферное возмущение (scatter) (КВЧ - SHF)
|
10
|
|
Орбитальная связь (X- диапазон)
|
|
|
|
Луна при макс, либрации ( км/с)
|
10
|
|
Поскольку многопутевые
компоненты в принимаемом сигнале не различимы, когда полоса частот
меньше
полосы частотной когерентности
канала, то принимаемый сигнал
достигает приёмника по единственному пути с замираниями. С другой стороны, мы
можем выбрать
так
что канал становится селективным по частоте. Мы покажем далее, что при этом
условии многопутевые компоненты в принимаемом сигнале различимы и разрешены во
времени при задержках порядка
. Таким образом, мы покажем, что
канал с частотной селективностью можно моделировать как трансверсальный фильтр
на линии с задержкой с переменными во времени коэффициентами, у отдельных
ячеек. Затем мы определим качество двоичной системы сигналов по каналу с
частотной селективностью.