11.4. КОМПЕНСАЦИЯ ПОМЕХ И ИСКАЖЕНИЙ В КАНАЛЕ

До сих пор в гл. 11 мы определяли эффективность систем связи, в которых используется гауссовский канал без искажений с оптимальной обработкой сигнала в месте приёма. В реальных условиях эффективность может снижаться по целому ряду причин, основными из которых являются межсимвольные и межканальные помехи, неточность формирования и синхронизации сигнала, нестабильность тактовых и несущих частот. Случайные изменения параметров канала, наличие сосредоточенных и импульсных (чаще всего негауссовских) помех также могут существенно увеличить потери информации в канале.

Что касается межсимвольной интерференции в канале, обусловленной, например, многолучевым распространением волн или ограничением полосы пропускания, то уже сегодня используются оптимальные приёмные устройства, которые обеспечивают для узкополосных

сигналов помехоустойчивость более высокую, чем в однолучевом канале [14]. Это понятно, если учесть, что миоголучёвость в принципе образует дополнительные пути передачи полезной информации. Такие оптимальные приёмные устройства, построенные по алгоритму Кловского-Николаева или Витерби, рассмотрены в § 5.6. Они находят применение, например в цифровых сотовых системах мобильной радиосвязи, построенных на основе временного разделения сигналов отдельных пользователей по общеевропейскому стандарту GSM.

Другой путь преодоления многолучёвости канала (МСИ) - переход к широкополосным (шумоподобным) сигналам с большой базой. Если использование оптимальных приёмных устройств в канале с МСИ нецелесообразно (уровень флуктуационных шумов мал), как и нецелесообразен (вследствие уменьшения частотной эффективности) переход к сигналам с большой базой, то приходится, естественно, думать о компенсации искажений, порождённых МСИ.

Энергетическую эффективность реальной системы (канала) при выбранных способах модуляции и кодирования можно определить с учётом выражения (11.21):

где энергетические потери, обусловленные действием негауссовских помех и искажений в канале.

Энергетические потери (ЭП) показывают, насколько необходимо увеличить отношение сигнал-шум на входе реального канала по сравнению с идеальным гауссовским, чтобы вероятность ошибки осталась прежней. Аналогичным соотношением в соответствии с (11.22) определяется частотная эффективность реальной системы:

где потери (проигрыш) частотной эффективности (удельной скорости) за счёт применения корректирующего кода; потери в канале. Величина Дукк полностью определяется скоростью кода Потери в канале зависят от многих факторов, которые приводят к расширению полосы частот реального канала по сравнению с теоретически необходимой для данного сигнала. Такое расширение полосы требуется, в частности, для снижения уровня межканальных и межеимвешьных (при отсутствии оптимального приёма) помех. Полоса канала также зависит от формы сигнала, от плавности изменения его фазы и огибающей (особенно нежелательны скачкообразные изменения).

Корректирующие коды, как уже отмечалось, наиболее эффективны в каналах с малыми ошибками. Поэтому, по-видимому, целесообразно сначала принять определённые меры для уменьшения влияния помех и искажений в канале, а затем для дальнейшего повышения верности или эффективности связи применять корректирующие коды.

Для уменьшения межсимвольных искажений (МСИ) используются устройства, позволяющие корректировать АЧХ и ФЧХ канала или компенсировать переходной процесс в канале. В общем случае такие корректоры должны быть адаптивными. При небольших уровнях МСИ широко используются линейные методы коррекции, которые реализуются в поде выравнивающих фильтров, компенсирующих МСИ в отчётные моменты времени. Такие фильтры (корректоры) обычно выполняются в виде трансверсальных фильтров — линий задержки с отводами и весовым сложением снимаемых напряжений. В канале с гауссовским шумом и МСИ, близким к оптимальному приёмнику (в классе линейных), является приёмник в воде каскадного устройства, состоящего из согласованного фильтра и трансверсального фильтра [17]. При большом уровне искажений в канале качество работы линейного корректора ухудшается. В этих условиях целесообразно использование методов нелинейной коррекции МСИ, в частности коррекции с обратной связью по решению [17].

Для борьбы с сосредоточенными по спектру и импульсными помехами часто используются компенсационные методы, позволяющие существенно ослабить их влияние на качество передачи. Исследования показывают, что квазиоптимальный приёмник в каналах с сосредоточенными и импульсными помехами и флуктуационными шумами должен содержать анализатор и компенсатор помехи и согласованный фильтр для полезного сигнала [26].

Существуют разные способы формирования оценки помехи на основе наблюдения и измерения параметров помехи как на интервалах времени, предшествующих интервалу решения, так и непосредственно на интервале вынесения решения. Чем точнее оценка помехи, тем ближе приёмник с компенсатором к оптимальному. В простейших случаях роль компенсатора в определённой мере могут выполнять режекторные фильтры при сосредоточенных по

спектру помехах или устройства запирания приёмника на время действия импульсной помехи (см. § 5.9)

Осуществить обработку сигналов, при которой устраняются влияния любых помех и искажений в канале, — задача практически неразрешимая. Гауссовский флуктуационный шум принципиально неустраним, его можно лишь ослабить до определённого предела, определяемого потенциальной помехоустойчивостью при заданном виде сигнала. Влияния же таких помех как сосредоточенные, импульсные, могут быть полностью устранены. В принципе могут быть устранены также линейные и нелинейные искажения, межсимвольные и межканальные помехи. Для каждого отдельного вида помех и искажений задача их компенсации разрешима Задача компенсации помех и искажений сильно усложняется при одновременном действии совокупности различных помех и искажений. Приёмник в этих условиях должен быть сложным адаптивным устройством, выполняющим большее число операций. При всей сложности такого приёмника его основными блоками будут устройства компенсации (коррекции) негауссовских помех и искажений и корреляционные устройства, осуществляющие оптимальную обработку сигнала при гауссовском шуме. Таким образом, с помощью модема и устройств обработки сигнала потери в канале за счёт негауссовских помех и искажений можно в принципе свести до минимума и тем самым реальный канал преобразовать в канал, близкий к идеальному гауссовскому, который отображается в без памяти. При этом будут созданы условия для наиболее эффективного использования корректирующего кода в канале. А это в свою очередь позволяет достигнуть высокой эффективности СПИ в целом. Современные элементная база и вычислительные средства позволяют внедрять цифровые методы обработки сигналов, на основе которых создаются сложные алгоритмы оптимального приёма в условиях действия в канале различных помех и искажений. Для этого используются программные методы построения аппаратуры с помощью универсальных и специализированных микропроцессоров