Методы использования нескольких лучей

Описанные методы выделения одного луча позволяют (по крайней мере в принципе) избавиться от интерференции между приходящими лучами, т. е. от глубоких (релеевских) селективных замираний и явлений эхо. Однако верность приема при этих методах определяется энергией только одного выделенного луча. Естественно, возникает вопрос, нельзя ли, используя знание структуры многолучевого сигнала, разделить приходящие лучи и сложить их таким образом, чтобы получить полную энергию всего сигнала и тем самым повысить верность приема.

Для сложения приходящих лучей можно воспользоваться широкополосными сигналами, применение которых позволяет разделить приходящие лучи [21, 28]. Эта идея осуществлена в упоминавшейся уже коротковолновой системе Рэйк [18]. На рис. 7.17 представлена упрощенная блок-схема приемного устройства Рэйк. Как уже указывалось, в этой системе используются широкополосные сигналы, а именно сигналы с полосой частот кГц при длительности элемента  мсек, следовательно, база сигнала равна . Для осуществления оптимального некогерентного приема методом синхронного гетеродинирования приемное устройство содержит два генератора местных сигналов, воспроизводящих передаваемые сигналы  и , но со сдвигом частот всех составляющих на некоторую частоту .

Принятый сигнал поступает на линию задержки, время распространения в которой должно быть не меньше максимального относительного запаздывания  учитываемых лучей, и в данной схеме составляет 3 мсек. Эта линия имеет с обеих сторон фиксированные отводы через интервалы времени, равные , т. е. в данном случае 100 мксек. Таким образом, общее число отводов с каждой стороны равно . Отводы подключены к перемножителям А; на перемножители верхних отводов подается напряжение от местного генератора сигнала , а на перемножители нижних отводов — от генератора сигнала .

Генераторы местных сигналов синхронизируются таким образом, чтобы начало их элемента совпадало с моментом, когда на последнем отводе линии задержки окажется начало элемента принятого сигнала, пришедшего по кратчайшему пути. Тогда на последней паре перемножителей возникнут напряжения, содержащие составляющую частоты  (см. примечание 5 к гл. 4), с амплитудой, пропорциональной величинам  (4.11) и соответствующей максимуму кривой рис. 7.15. Остальные лучи при условии, что они запаздывают относительно первого больше чем на , не создадут на последней паре перемножителей заметного напряжения частоты  поскольку для них абсцисса кривой    рис. 7.15 лежит вне главного максимума.

Рис. 7.17. Упрощенная блок-схема приемного устройства системы

Однако каждый из запаздывающих лучей на каком-то из отводов оказывается синхронизированным с генератором местного сигнала с точностью не хуже  и создает на соответствующих перемножителях напряжения с частотой  и амплитудами, пропорциональными величинам  для этого луча.

Таким образом, на ряде перемножителей можно получить раздельный эффект от приходящих лучей. Но с другой стороны, большая часть перемножителей не удовлетворяет условию синхронизма и на них выделяются напряжения, создаваемые только помехами.

Напряжения частоты  с выхода каждого перемножителя поступают на другой перемножитель (смеситель) Б, на второй вход которого подается напряжение с измерительного фильтра, имеющее частоту  и амплитуду, приблизительно пропорциональную среднему квадратичному значению  напряжения, создаваемого соответствующим лучом. Такой измерительный фильтр имеется в цепи каждой пары отводов. На рис. 7.17 схема соединения этого фильтра показана только для последней пары отводов. Она заключается в следующем. Напряжения частоты  полученные на выходе перемножителей данного отвода, складываются и подаются на смеситель См. Там они смешиваются с колебаниями вспомогательного генератора синусоидальных колебаний частоты  (общего для всех отводов), и выделенные колебания разностной частоты подаются на узкополосный измерительный фильтр. Полоса пропускания этого фильтра порядка 1 гц (что соответствует скорости флюктуаций состояния ионосферы). Поэтому напряжение на выходе фильтра почти не зависит от помех и определяется мощностью соответствующего луча. В частности, на выходе фильтра в том отводе, в котором ни один луч не оказался синхронизированным с сигналами местных генераторов, это напряжение практически равно нулю, следовательно, и на выходе перемножителей Б такого отвода напряжение отсутствует. Что же касается, цепей «активных» отводов, в которых выделяется тот или иной луч, то на выходе перемножителей Б присутствуют напряжения частоты  с амплитудой, приблизительно пропорциональной произведению

Начальная фаза напряжений частоты  на выходах перемножителей Б во всех отводах одинакова и совпадает с начальной фазой вспомогательного генератора. В этом легко убедиться, проследив по схеме все преобразования частоты и учтя, что начальные фазы преобразуются в смесителях (перемножителях) так же; как и частоты. Поэтому, подав все эти напряжения с верхних отводов на одну общую шину, а с нижних отводов — на другую общую шину, можно обеспечить арифметическое сложение амплитуд токов, полученных в результате обработки каждого из лучей. Таким образом, здесь практически осуществляется почти когерентное (с точностью до помехи на выходе измерительного фильтра) сложение отдельных лучей.

Сложенные таким образом напряжения с шин сигналов  и  поступают на коммутируемые фильтры, настроенные на частоту  и отсеивающие прочие гармонические составляющие, затем детектируются и сравниваются в устройстве сравнения. При таком детектировании информация о фазе сигнала теряется. Поэтому в приемнике Рэйк осуществляется некогерентное детектирование сигнала, полученного в результате когерентного сложения лучей.

Для формирования широкополосных шумоподобных сигналов в системе Рэйк используются дискретные генераторы двоичных последовательностей на сдвигающих регистрах с обратной связью (см., например, [20]). Такой генератор выдает последовательность импульсов положительной и отрицательной полярности длительностью 0,1 мксeк, следующих через 8,5 мксек. Период последовательности составляет 1023 импульса и длится 8,525 мсек, что превышает максимальную разность хода лучей, наблюдаемую в диапазоне коротких волн.

Полученные импульсы подаются на фильтр с полосой пропускания 10 кгц, на выходе которого выделяется шумоподобное напряжение. Для уменьшения пик-фактора это напряжение ограничивается по максимуму и затем поступает на другой фильтр с полосой пропускания также 10 кгц. Поскольку генераторы импульсных последовательностей, фильтры и ограничители в передающем и приемном устройствах одинаковы, удается получить практически идентичные шумоподобные напряжения.

Последовательными преобразованиями частоты образуют сигнал в рабочей полосе частот. Для получения пары сигналов  и  используется одно и то же шумоподобное напряжение, но с различными средними частотами, отличающимися на  гц. Это позволяет осуществлять манипуляцию в тракте преобразования частоты передающего устройства.

Длительность элемента  не равна и не кратна длительности периода генератора шумоподобного сигнала. Однако это не меняет условий оптимального некогерентного приема, поскольку при синхронизированной работе генераторов на передающем и приемном устройствах прием каждого элемента сводится к принятию решения о том, какой из двух сигналов передавался, причем формы ожидаемых сигналов известны (при практически осуществимой степени синхронизма — с точностью до начальной фазы), хотя и являются различными для разных элементов.

Если известны число принимаемых лучей и отношения энергии сигнала к спектральной плотности помехи в каждом луче, то вероятность ошибки может быть вычислена по формуле (6.63).

Поскольку период шумоподобного сигнала 8,525 мсек больше памяти канала  (которая в коротковолновом радиоканале совпадает с разностью хода между первым и последним лучами и обычно не превышает 5-6 мсек), сигналы, пришедшие различными путями к приемнику, оказываются почти ортогональными независимо от длительности элемента . Это позволяет в принципе повышать техническую скорость передачи в многолучевом канале при условии соответствующего расширения полосы частот  для обеспечения достаточно большой базы. Следует, впрочем, учитывать, что при полосе частот свыше примерно 100 кГц, переходная функция коротковолнового радиоканала уже не может быть аппроксимирована формулой (7.52), так как начинает сказываться диффузность каждого отраженного луча и дельта-функции должны быть заменены переходными функциями конечной длительности. В такой ситуации потребуется более сложная обработка сигнала, чем в системе Рэйк [3].

В приемном устройстве сигнал усиливается и его спектр смещается к средней частоте  кгц. Остальные частоты, приведенные на рис. 7.17 равны:  кГц,  кГц. Измерительные фильтры настроены на частоту  кГц и имеют полосу пропускания порядка 1 Гц. Все перемножители (смесители) выполнены на лампах 6А56 и обеспечивают линейность в пределах динамического диапазона 100 дб.

Можно было бы построить схему приема широкополосных сигналов, осуществляющую некогерентное сложение приходящих лучей с помощью согласованных фильтров. Как было показано в предыдущем параграфе, огибающая напряжения на выходе фильтра, согласованного с передаваемым сигналом , имеет пики, пропорциональные величине  для каждого луча, которые взаимно не перекрываются, если разность хода соседних лучей превышает . Продетектировав эту огибающую квадратичным детектором и подав результат детектирования на конденсатор, можно при определенных условиях получить напряжение, пропорциональное сумме квадратов этих величин для всех приходящих лучей.

На рис. 7.18 показана такая схема для приема широкополосных сигналов при . Здесь конденсатор заряжается непосредственно разностью напряжений двух детекторов. Он подключается к детекторной схеме в момент  окончания элемента в первом из пришедших лучей и остается подключенным в течение времени . В момент  напряжение на конденсаторе отсчитывается и в соответствии с его знаком принимается решение о переданном сигнале, после чего конденсатор отключается от детекторной схемы и в момент  (где ) разряжается для подготовки к приему следующего элемента. На эпюрах показаны напряжения в разных точках схемы при приеме последовательности сигналов

Такой метод приема на первый взгляд проще, чем метод Рэйк. В частности, здесь значительно менее жесткие требования к синхронизации передающего и приемного устройств. Нужно, однако, учитывать, что фильтр, согласованный со сложным сигналом, представляет собой далеко не простое устройство [19].

Вероятность ошибки в любых системах со сложением лучей зависит от числа лучей и от их интенсивности. Если число лучей известно, а также известны отношения энергии сигнала к спектральной плотности помехи в каждом луче, то при квадратичном сложении лучей (например, в схеме рис. 7.16) вероятность ошибки можно вычислить по формуле (6.62). Она несколько больше, чем в системе Рэйк [формула (6.63)].

Рис. 7.18. Схема с согласованными фильтрами для приема широкополосных сигналов со сложением мощности лучей.