Глава 6. Канал с медленными общими замираниями (разнесенный прием)

6.1. Методы разнесенного приема

Эффективным средством повышения помехоустойчивости в радиоканалах с замираниями является разнесенный прием в различных вариантах. Наиболее широко распространенным является прием на разнесенные в пространстве антенны, причем чаще применяется прием на две антенны (сдвоенный), реже - на три (строенный). Такие же результаты, как сдвоенный прием на пространственно разнесенные антенны, дает прием на две антенны, принимающие волны, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях [1], что удобно при связи с подвижными объектами.

В последние годы все шире начинает применяться разнесенный прием по частоте, основанный на селективном характере замираний. При этом сигнал в разных полосах частот излучается либо отдельными передатчиками, либо одним передатчиком. Первый вариант может использоваться в тех случаях, когда на приемной стороне условия размещения не позволяют применить разнесенные антенны (например, на подвижном объекте) и требуется любой ценой обеспечить надежную связь.

В этом случае использование двух передатчиков, работающих на разнесенных частотах, значительно более выгодно, чем использование одетого в несколько раз более мощного передатчика. Второй вариант чаще всего используется в каналах с частотным уплотнением (см. гл. 9). При ухудшении условий связи передача сообщения дублируется в двух или нескольких каналах.

Третий метод разнесенного приема - разнесение по времени - применялся в прошлом в виде так называемой системы Вердана, в которой каждый элемент передавался дважды или трижды с интервалами времени, превышающими время корреляции замирания.

Общим для всех этих методов является то, что при разнесенном приеме на приемное устройство (или некоторую совокупность приемных устройств) поступает не один сигнал, смешанный с помехой, а несколько «образцов» этого сигнала с различными реализациями помехи. Число этих образцов будем называть числом ветвей разнесенного приема и обозначать буквой . Чем больше , тем больше возможность для статистического различения переданных сигналов путем анализа принятых образцов, что и обеспечивает повышение верности при разнесенном приеме.

Помехи, действующие в различных ветвях, будем считать взаимно независимыми. Это, безусловно, справедливо, если помехой являются внутренние шумы приемника; в большинстве случаев это справедливо и для помех, поступающих в приемное устройство извне.

Для канала с общими замираниями коэффициенты передачи  и фазовые сдвиги  в разных ветвях различны. Наибольший выигрыш в помехоустойчивости обеспечивается разнесенным приемом тогда, когда коэффициенты передачи в разных ветвях взаимно некоррелированны. Однако, как будет показано ниже, существенный выигрыш может быть получен при некоторой корреляции между коэффициентами передачи. Эту корреляцию мы будем измерять величиной коэффициента корреляции между синфазными  или квадратурными  частями флюктуирующей составляющей коэффициента передачи, аналогично определению  в (5.6), с той только разницей, что здесь рассматривается коэффициент взаимной корреляции двух процессов замирания в одинаковые моменты времени:

,                 (6.1)

где индексы  и  относятся к -й и -й ветвям разнесенного приема.

Для упрощения задачи мы будем иногда ограничиваться случаем . Это оправдывается тем, что при малых значениях  (примерно до ) учет взаимной корреляции вносит лишь небольшую поправку (это будет показано на некоторых примерах), а также тем, что при проектировании систем с разнесенным приемом в канале с замираниями всегда добиваются возможно меньших значений .

Очевидно, наибольшая верность разнесенного приема может быть получена при полном использовании априорных сведений об ожидаемых сигналах в каждой ветви. При достаточно медленных замираниях, когда можно предсказать значения  и  во всех ветвях приема, оптимальной схемой разнесенного приема является схема когерентного сложения. Для быстрых замираний, а также для тех случаев, когда с целью упрощения аппаратуры отказываются от устройств регулировки, использующих возможности предсказания  и , будет определена оптимальная схема некогерентного сложения.

Помимо этого будут рассмотрены некоторые более простые неоптимальные схемы разнесенного (приема, используемые на практике, в том числе схема дискретного сложения.

Следует отметить, что из всех методов разнесенного приема только прием на разнесенные антенны не влечет потери ни мощности сигнала, ни реальной пропускной способности системы. Снижение скорости передачи информации (например, при разнесении во времени) эквивалентно потере мощности, так как при той же скорости можно было бы для одиночного приема увеличить длительность элемента и соответственно повысить среднее отношение энергии элемента сигнала к удельной мощности помехи .

Для сравнения помехоустойчивости различных систем разнесенного приема следует учитывать эту потерю мощности. Будем обозначать через  среднее отношение энергии сигнала к удельной мощности помехи, которое имело бы место, если бы то же передающее устройство использовалось для одиночного приема. Действительное же значение среднего отношения энергии сигнала к удельной мощности помехи  в случае разнесения по частоте или по времени зависит от числа ветвей разнесенного приема .

При разнесении по времени длительность элемента уменьшается в  раз. Поэтому среднее отношение энергии сигнала к удельной мощности помехи в этом случае равно . Такое же значение этого отношения будет и в случае частотного разнесения, если для каждой ветви используется свой передатчик. Если же все частоты излучаются одним передатчиком, то, как известно, его мощность используется значительно хуже. Чаще всего формирование многоканального сигнала в передатчике осуществляется методом тональной однополосной модуляции. Во избежание больших переходных помех необходимо обеспечить линейный режим в передатчике. При строго линейном режиме амплитуда в каждой из  ветвей частотно-разнесенной передачи должна быть в  раз меньше максимальной допустимой амплитуды для телеграфного режима передатчика. При этом мощность, приходящаяся на каждую ветвь, будет в  раз меньше пиковой мощности передатчика и, следовательно, .

Во многих случаях можно отказаться от строгой линейности режима передатчика либо иметь некоторый запас пиковой мощности, позволяющий на короткие отрезки времени допускать перемодуляцию передатчика. В таких случаях  лежит между  и .

Для наибольшей общности анализа положим

,                   (6.2)

где показатель  может принимать различные значения от 0 до 2. При приеме на разнесенные антенны . При разнесении по времени, а также при разнесении по частоте, если для каждой ветви используется свой передатчик, . Если же при разнесении по частоте все ветви излучаются одним передатчиком, значение  лежит в пределах между 1 и 2 и характеризует «запас линейности» передатчика.