8.6. Практические методы защиты от импульсных помех

В практике радиосвязи используются различные схемы, позволяющие в той или иной степени подавить импульсные помехи. Из сказанного выше ясно, что такие схемы должны содержать нелинейный элемент в широкополосном тракте приемника, т. е. до фильтров, согласованных хотя бы по полосе пропускания с сигналом. Наибольшее распространение получили схемы с ограничителем (рис. 8.7), часто называемые схемами ШОУ (широкая полоса—ограничитель — узкая полоса), предложенные, по-видимому, впервые в работе [11]. Если ограничитель идеальный, т. е. порог ограничения нулевой, то такая схема совпадает с рис. 8.6 при . При неидеальном ограничителе, если порог ограничения выше максимального уровня суммы сигнала и неимпульсных помех, приемник работает в линейном режиме все время, за исключением времени прохождения мешающего импульса (рис. 8.8). Это создает более благоприятные условия для защиты от неимпульсных (например, сосредоточенных) помех.

Рис. 8.7. Схема защиты от импульсной помехи путем ограничения.

Рассмотрим действие схемы рис. 8.7 с учетом частотной характеристики линейного тракта приемного устройства. Предположим, что длительность импульса на входе приемного устройства значительно меньше, чем , где — эффективная полоса пропускания линейного тракта. Это предположение обычно выполняется на практике. Тогда форма импульса на входе ограничителя с хорошим приближением совпадает с импульсной реакцией  линейного тракта. Если сигнал вместе с помехой подать на ограничитель с уровнем ограничения, превышающим максимальные выбросы суммы сигнала и всех неимпульсных помех, то приемное устройство будет переходить в линейный режим лишь на протяжении времени  существования мешающего импульса.

Рис. 8.8. Ограничение импульсной помехи.

Длительность импульса  на входе ограничителя определяется импульсной реакцией  или частотной характеристикой линейного тракта. Как известно, в минимально-фазовых цепях длительность импульса  примерно обратно пропорциональна . В первом приближении можно считать

.                             (8.42)

Для приближенной оценки действия импульсной помехи можно полагать, что на вход решающей схемы после ограничителя сигнал и неимпульсные помехи поступают в неискаженном виде, а мешающие импульсы преобразуются в прямоугольные с площадью

 ,                     (8.43)

которая в первом приближении не зависит от площади исходного импульса. Спектральная плотность мешающего импульса после ограничения согласно (8.26) равна

.                             (8.44)

Пели зафиксировать уровень ограничения, то, увеличивая , можно было бы получить сколь угодно малое значение . Однако при увеличении  возрастает уровень флюктуационных и сосредоточенных помех на входе ограничителя. Для того чтобы в отсутствие мешающего импульса приемное устройство действовало как линейное, с увеличением полосы пропускания  нужно также увеличивать уровень ограничения , поддерживая его выше максимального выброса суммы сигнала и всех неимпульсных помех.

Обозначим суммарную мощность флюктуационных и сосредоточенных помех, действующих на входе ограничителя, через , а мощность сигнала — через . Тогда максимальный выброс суммарного напряжения сигнала и неимпульсных помех равен , где  — пикфактор суммарного напряжения, т. е. отношение максимального пикового напряжения к среднему квадратичному. Выбрав уровень ограничения, равный этому максимальному выбросу, получим

,                      (8.45)

где  — суммарная плотность флюктуационных и сосредоточенных помех;  — отношение энергии элемента сигнала к спектральной плотности флюктуационных и сосредоточенных помех.

Величину  можно рассматривать как относительный уровень ограничения.

Спектральная плотность мешающего импульса согласно (8.44) равна

,                           (8.46)

и может быть сделана сколь угодно малой путем выбора достаточно широкой полосы пропускания .

При

,                               (8.47)

и если к тому же , то спектральная плотность мешающего импульса после ограничителя оказывается очень малой по сравнению со спектральной плотностью прочих помех.

Так, например, при  и  спектральная плотность мешающего импульса составляет всего лишь 20°/0 от . Однако даже при  импульсная помеха может заметно увеличить вероятность ошибок, воздействуя на решающую схему. Степень этого воздействия зависит от того, насколько мешающий импульс похож на сигналы, с которыми согласована решающая схема. Так, если сигналы представляют собой радиоимпульсы с длительностью порядка , то решающая схема реагирует на мешающий импульс почти так же, как и на сигнал. В этом случае основную роль играет не спектральная плотность мешающего импульса, а его энергия, равная

.

Из (8.45) следует, что

,                 (8.48)

т. е. энергия мешающего импульса с расширением полосы пропускания не уменьшается, а имеет величину, близкую к энергии сигнала  (поскольку  для импульсного сигнала и — величины примерно одного порядка).

Для того чтобы решающая схема не реагировала на импульсные помехи, как на сигнал, необходимо, чтобы она была согласована с сигналами, как можно более отличающимися от мешающих импульсов. В частности, эти сигналы должны достаточно равномерно заполнять интервал , отведенный для передачи одного элемента, т. е. иметь достаточно малый пикфактор. Этим условием в значительной степени удовлетворяют сигналы простых систем (AT, ЧТ, ФТ).

Наибольшее отличие от импульсной помехи имеют шумоподобные сигналы. Согласованная с шумоподобным сигналам решающая схема, как было показано в гл. 7, осуществляет когерентное сложение его составляющих. В то же время эта решающая схема как бы разрушает когерентность между составляющими мешающего импульса. В частности, фильтр, согласованный с шумоподобным сигналом, преобразует сигнал в импульс, и наоборот, преобразует мешающий импульс в шумоподобное напряжение [12]. Полоса частот , занимаемая сигналом, может в этом случае совпадать с эффективной полосой пропускания линейного тракта приемника .

При этих условиях импульсная помеха, прошедшая через ограничитель, действует приблизительно, как флюктуационная, т. е. основным фактором является не энергия ограниченного импульса, а спектральная плотность , которая при достаточно большом значении  может быть сделана сколь угодно малой согласно (8.47). Тем самым практически осуществляется подавление импульсной помехи при условии, что число мешающих импульсов  на протяжении приема элемента сигнала не очень велико и к тому же выполняется условие .

В литературе описано много других методов повышения верности приема в условиях импульсных помех. Некоторые из них применяются на практике. Большую часть предложенных методов можно разделить на две группы. К первой группе относятся компенсационные методы, представляющие различные варианты идеи, положенной в основу схемы рис. 8.4. Эти методы обычно очень сложны, либо не обеспечивают достаточно эффективного подавления импульсных помех и поэтому не нашли применения.

Ко второй группе относятся методы, использующие в том или другом виде ограничение величины мешающего импульса. В первую очередь, следует назвать метод глубокого ограничения, отличающийся от рассмотренного в предыдущем параграфе тем, что после широкополосного линейного тракта сигнал с помехами поступает на ограничитель с уровнем ограничения, значительно более низким, чем среднее квадратичное значение суммы сигнала и помех (рис. 8.9). При этом, конечно, возникают большие нелинейные искажения, и, вообще говоря, информация частично теряется, поскольку ограничитель является необратимым четырехполюсником. Тем не менее, в ряде случаев потеря информации оказывается незначительной, и включенная после ограничителя основная решающая схема обеспечивает прием почти с такой же верностью, как и в случае, когда уровень ограничения выше пикового уровня сигнала. Преимуществом же глубокого ограничения является то, что при этом методе отпадает необходимость в тщательной регулировке уровня ограничения или усиления.

Рис. 8.9. Глубокое ограничение суммы сигнала и помех.

Вместо ограничения импульсной помехи можно применять с таким же эффектом запирание приемника на время прохождения мешающего импульса.

Подробный обзор различных методов защиты от импульсных помех содержится в работе [13].

В каналах с относительно редкими импульсными помехами, как уже отмечалось, ошибки, создаваемые мешающими импульсами, целесообразно устранять с помощью корректирующего кода. Для этого можно применять код с минимальной избыточностью, осуществляя обнаружение того элемента сигнала, в течение приема которого имел место мешающий импульс. Такое обнаружение «ненадежных» элементов сигнала может быть осуществлено ограничителем по минимуму, реагирующим на все импульсы, превосходящие некоторый определенный уровень. На рис. 8.10 изображена схема, заимствованная из [12], б которой основной тракт приемного устройства является линейным, а параллельно ему включен ограничитель, обнаруживающий импульсы и подающий соответствующие команды «стирания» не декодирующее устройство.

Рис. 8.10. Схема обнаружения мешающего импульса и исправления ошибок.

Другая возможность защиты от редких импульсных помех заключается в использовании разнесения по времени. В отсутствии импульсной помехи осуществляется сложение сигналов в ветвях разнесения. При появлении мешающего импульса, который можно обнаружить так же, как на рис. 8.10, соответствующая ветвь исключается, и прием ведется по ветвям, не пораженным в данный момент импульсной помехой.