1.1.3. Типовые структурные схемы систем радиосвязи с ППРЧ

Ниже достаточно кратко рассматриваются особенности структурных схем передатчика и приемника типовых СРС с ППРЧ.

Основные элементы структурных схем передатчика и приемника СРС с ППРЧ при цифровой одноканальной модуляции изображены на рис. 1.7, а, б.

Рис. 1.7.

На рис.1.8 приведен фрагмент ЧВМ сигнала одноканальной СРС с ППРЧ, где квадратами с наклонной штриховкой обозначены частотные каналы, занятые элементами сигнала.

Рис. 1.8.

В такой СРС в интервале между переключениями частот имеется только одна несущая частота и соответствующий канал передачи. При одноканальной модуляции в СРС используется, как правило, медленная ППРЧ, а в качестве информационной модуляции может применяться ЧМ без разрыва фазы, при которой сигнал изменяет несущую частоту от одного скачка к другому, сохраняя в то же время непрерывность фазы. Частотная манипуляция без разрыва фазы позволяет сформировать сигналы со сравнительно узкой шириной спектра. Наиболее эффективная демодуляция таких сигналов может быть осуществлена с помощью ограничителя-дискриминатора [8]. Структурная схема приемного устройства СРС с ППРЧ и ЧМ без разрыва фазы сигнала изображена на рис.1.9.

Рис. 1.9.

На рис.1.10, а, б изображены типовые структурные схемы передатчика и приемника СРС с ППРЧ, двоичной ЧМ и смежными по частоте каналами.

Рис. 1.10.

В соответствии с потоком исходных двоичных данных частотный манипулятор и генератор  обеспечивают перенос двоичных символов 1 и 0 на частоты  и . С помощью синтезатора частот и генератора псевдослучайного кода осуществляется перестройка рабочей частоты. В приемном устройстве за счет смесителя и синтезатора частот, управляемого ГПС кода, скачки рабочей частоты устраняются, в результате информационные символы 1 и 0 переносятся на первоначально выбранные частоты  и . Принимаемый полезный сигнал СРС с ППРЧ и двоичной ЧМ на выходе ШПФ во время j-го скачка частоты можно записать в виде:

,                                      (1.3.)

где  - частота модуляции;  - начальная фаза -го скачка частоты, .

В случае идеальной синхронизации между принятым и опорным сигналами на входе демодулятора будет действовать полезный сигнал

                                            (1.4)

В результате демодуляции принятых сигналов решающее устройство выдает оценку информационной последовательности, .

Реализация ЧВМ со случайной двоичной ЧМ, при которой основной и дополнительный каналы приема разнесены между собой случайным для постановщика помех образом, возможна с помощью приемного устройства, структурная схема которого изображена на рис. 1.11.

Рис. 1.11.

Схема приемника состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых осуществляет обработку своего информационного символа. Наличие двух независимых синтезаторов частот позволяет излучать передатчиком такие пары частот, разность между которыми может иметь различные значения при каждом скачке частоты. Такое формирование сигналов с ППРЧ затрудняет их разведку, в частности не позволяет определить частоту дополнительного канала, воздействие помех на который может быть более эффективным, чем на канал передачи информации.

Структурная схема приемника, обеспечивающего прием и обработку сигналов с внутрибитовой ППРЧ и неслучайной двоичной ЧМ, приведена на рис. 1.12, где обозначено:  – выходные выборки квадратичных детекторов (КД) огибающей, формируемые в моменты времени ,  - число субсимволов в бите информации;  – нормированные выборки;  – статистики решения;  - выходная статистика.

Применение сигналов с внутрибитовой ППРЧ в условиях помех может быть эффективным при нормировании (взвешивании) выборок и последующим их сложении.

Рис. 1.12.

В данной схеме нормирование выборок  осуществляется с помощью весовых множителей  ( – дисперсия помех), для формирования которых используется канал измерения мощности помехи.

Принцип разнесения (повторения) элементов сигнала находит широкое применение в СРС с ППРЧ для защиты от организованных помех. При этом неотъемлемой частью процедуры демодуляции (или декодирования) является, как указывалось выше, взвешивание и сложение разнесенных сигналов.

Наиболее эффективными методами взвешивания выборок каждого частотного элемента сигнала в СРС с -ичной ЧМ, достаточно устойчивыми к изменениям стратегии постановщика помех и хорошо работающими в условиях наихудших шумовых помех в части полосы, являются [11-13,21]:

адаптивное взвешивание выходной выборки квадратичного детектора  в каждом канале приемника, при котором нормированная выборка  на входе сумматора имеет вид:

,

где  - дисперсия помехи и собственных шумов в -м частотном канале, оценка которой обеспечивается дополнительным каналом измерения мощности помехи,

самонормирующееся взвешиванне выходной выборки квадратичиого детектора , при котором нормированная выборка  на входе сумматора формируется путем деления  на сумму выборок  по всем каналам приемника

фактически сумма  в  раз больше возможного значения дисперсии помехи  на -м скачке частоты; поэтому вероятностные характеристики СРС с таким взвешиванием близки к характеристикам СРС с методом адаптивного взвешивания выходной выборки КД;

взвешивание выходной выборки квадратичного детектора  за счет деления на максимальное значение  по всем каналам приемника, в результате чего нормированная выборка  на входе сумматора

максимум  фактически является оценкой наибольшего значения дисперсии  в одном из каналов приемника; в силу этого вероятностные характеристики СРС с данным взвешиванием практически соответствуют характеристикам СРС с адаптивным взвешиванием выходной выборки КД;

взвешивание выходной выборки квадратичного детектора  за счет применения мягкого ограничителя, который при анализе вероятностных характеристик СРС моделируется -уровневым квантователем.

После формирования взвешенных выборок  указанными выше методами осуществляется их некогерентное сложение и последующее принятие мягких решений о передаче информационных символов 1 или 0.

При использовании принципа частотного разнесения или повторения информационных символов в СРС с ППРЧ может использоваться демодулятор с принятием жестких решений для каждого субсимвола (скачка частоты). При этом выборка  имеет вид:

а решение о передаче соответствующего информационного символа принимается на основе мажоритарной логики.

Влияние различных методов взвешивания выходных выборок квадратичного детектора и суммирования субсимволов на вероятностные характеристики СРС с внутрибитовой ППРЧ и двоичной ЧМ детально рассматривается в четвертой главе.

Типовая структурная схема приемника СРС с -ичной ЧМ для случая, когда частотные каналы всего сегмента частот являются смежными, но каждый сегмент может иметь случайно выбранное положение внутри обшей полосы частот , изображена на рис. 1.13, где СВМ-схема выбора максимума.

Рис. 1.13.

При использовании в системе радиосвязи -ичной ЧМ блок из  бит закодированной цифровой информации передается при помощи одной частоты, выбираемой из  частот (а не из двух частот как при двоичной ЧМ) в интервале отведенного времени для передачи каждого частотного элемента. Переход от двоичной к  -ичной ЧМ при постоянной скорости передачи информации и энергии сигнала на бит для канала с АБГШ приводит к уменьшению вероятности ошибки в основном канале приема. При  -ичной ЧМ передающее устройство СРС может осуществлять передачу па любой рабочей частоте, которая формируется синтезатором. Для такой -ичной СРС демодулятор является обобщением двоичного демодулятора.

На рис. 1.14 представлена более сложная структурная схема приемника СРС со случайной -ичной ЧМ, при которой каждая частота из -набора частот выбирается случайным образом, частотные каналы в этом случае разнесены.

Рис. 1.14.

Такая структурная схема приемника, как и для СРС со случайной двоичной ЧМ, обеспечивает более высокую помехоустойчивость СРС при воздействии организованных помех.

Однако необходимость выбора некоторого множества  частот из значительно большего числа частот  требует анализировать одновременно все  частот. Один из способов преодоления этой трудности при неслучайной -ичной ЧМ состоит в использовании специального набора частот, в котором каждая из возможных частот имеет строго определенную связь с остальными  частотами [16]. Такая СРС, обеспечивая передачу нескольких бит информации на одной частоте, позволяет реализовать достаточно простой способ обработки сигналов, при котором используется всего лишь один приемник и -демодуляторов.

Для цифровых СРС, в которых для передачи данных используется многоуровневая ЧМ, форма переданного сигнала в -м интервале передачи  в общем случае имеет вид:

,                                             (1.5)

где  - несмещенная минимальная несущая частота; – минимальный разнос по частоте между сигналами в -ичной последовательности;  - значение -го символа данных, взятое из последовательности целых чисел, .

В соответствии с (1.5) собственную форму переданных сигналов на каждом скачке частоты (без учета модуляции данных методом -ичной ЧМ, которая не влияет на основную форму выражения и не изменяет спектральных свойств сигнала) можно записать следующим образом:

                                        (1.6)

Для повышения помехоустойчивости СРС с ППРЧ могут применяться -ичная ЧМ, кодирование и разнесение символов по частоте [8,15]. На рис. 1.15, а, б представлены обобщенные структурные схемы передающего и приемного устройства СРС с ППРЧ, -ичной ЧМ, кодированием данных и сложением разнесенных символов.

Рис. 1.15.

На рисунке обозначено:  - скорость передачи информации в битах; - частота следования элементарных посылок;  - скорость -ичных символов, ; - скорость переключения частотных каналов;  - уровень разнесения символов (избыточность);  - общая скорость кодирования в информационных битах, приходящихся на -составной канал, .

Реализация такой СРС обеспечивает внутрисимвольную ППРЧ, при котором . -ичные символы образуются путем генерирования одного из  возможных тональных сигналов со скоростью передачи знаков . Эта частота смешивается затем со скачкообразно изменяемой несущей частотой, перестраиваемой со скоростью .

На приемной стороне скачки рабочей частоты устраняются, сигнал восстанавливается и поступает на -канальный демодулятор, далее сигнал обрабатывается в соответствии с функциональной схемой приемника СРС. Схема сложения разнесенных по частоте символов соединяется с декодером, что способствует уменьшению вероятности ошибки до уровня, обеспечивающего эффективную работу декодера.

В современных СРС возможно и совместное (комплексное) применение различных методов расширения спектра сигнала.

Наиболее широко используется метод ППРЧ одновременно с методом непосредственной модуляции несущей ПСП. Информационный сигнал в такой СРС сначала расширяется с помощью непосредственной модуляции несущей ПСП , а затем – за счет скачкообразного изменения рабочей частоты. На основе (1.6) собственная форма переданных сигналов ППРЧ-ПСП может быть записана в виде:

,                    (1.7)

Из выражения (1.7) следует, что в СРС с ППРЧ-ПСП разнос между частотными элементами будет равен , т.е. в  раз больше, чем в случае расширения спектра сигнала только за счет одного метода ППРЧ (1.6). Достоинство таких сигналов состоит в том, что можно осуществлять скачки по частоте, величина которых больше ширины спектра ФМШПС. В результате гибридная система радиосвязи с ППРЧ-ПСП осуществляет распределение энергии сигнала по полосе частот значительно большей, чем в СРС с ФМШПС. При этом использование метода ППРЧ позволяет избежать наложения помехи на часть спектра сигнала в течении определенного интервала времени. В случае, если сигнал такой гибридной СРС «попадает» на помеху, то спектр помехи расширяется и фильтруется точно так же, как это осуществляется в СРС с ФМШПС.

Структурные схемы передатчика и приемника гибридной СРС с ППРЧ-ПСП изображены на рис. 1.16,а и на рис. 1.17,а. На рис. 1.16,б и на рис. 1.17,б показаны спектральные плотности мощности сигнала и узкополосной помехи в характерных точках структурных схем.

Рис. 1.16.

Как видно на рис. 1.16 информационный сигнал расширяется до ширины полосы , а затем преобразуется в радиосигнал, несущая частота которого скачкообразно с заданным периодом перестраивается в рабочем диапазоне частот .

Рис. 1.17.

На приемной стороне СРС вначале устраняются скачки рабочей частоты, сигнал переводится на постоянную несущую частоту, а затем спектр полезного сигнала свертывается до своей первоначальной полосы. Спектр мощности других сигналов, некоррелированных с полезным сигналом, расширяется. Следует отметить, что при реализации гибридных систем ППРЧ-ПСП один и тот же ГПС кода может использоваться как для управления переключением частотных каналов синтезатора, так и для получения модулирующего сигнала при псевдослучайной модуляции.

Комплексное применение различных методов расширения спектра сигналов, наряду с улучшением характеристик помехоустойчивости гибридных СРС, в ряде случаев позволяет преодолеть трудности технической реализации, которые могут возникнуть при формировании сигналов в СРС только с помощью одного из методов расширения спектра [16].