5.9. ПРИЁМ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ В КАНАЛАХ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПО СПЕКТРУ И ИМПУЛЬСНЫМИ ПОМЕХАМИ

Выше помехоустойчивость дискретных систем связи определялась с учётом неизбежного аддитивного флуктуационного гауссовского шума. Однако на практике приходится учитывать и действие в канале иных аддитивных помех, порождаемых внешними источниками, и прежде всего относящихся к классу сосредоточенных по спектру ("гармонических") и импульсных.

Заметим, что если на вход приёмного устройства поступает большое число слабо коррелированных помех от различных источников сравнимой мощности, то их сумма, согласно центральной предельной теореме представляет процесс, близкий к гауссовскому. Прибавляясь к флуктуационному шуму аппаратуры, он может существенно увеличить спектральную плотность гауссовской помехи, что потребует соответствующего увеличения мощности сигнала. Однако нередко среди множества маломощных помех на вход приёмника поступают отдельные мощные импульсы или сосредоточенные помехи. В таком канале, если не принимать специальных мер, приём дискретных сообщений сопровождается дополнительными ошибками и связь может быть полностью нарушена.

Все мероприятия по зашите от внешних помех можно разбить на три группы. К первой относят те, которые направлены на подавление помех в месте их возникновения, в частности экранирование источников промышленных помех, применение искрогасящих конденсаторов, снижение уровня побочных излучений радиопередатчиков и т.п. Эти мероприятия регулируются специальными законоположениями и стандартами. Вторая группа — это мероприятия, цель которых воспрепятствовать проникновению помех на вход демодулятора. Для этого в системах проводной связи скрещивают провода воздушных линий, совершенствуют конструкцию кабелей для уменьшения взаимных влияний и т.д. В радиосвязи для этого устанавливается рациональное распределение частот между отдельными службами и канатами с учётом размещения передатчиков и приёмников и условий распространения радиоволн. При выполнении мероприятий первых двух групп важную роль играют международные органы, вырабатывающие допустимые нормы и контролирующие их соблюдение — международные консультативные комитеты по телеграфии и телефонии (МККТТ) и по радиосвязи (МККР).

Третья группа мероприятий (непосредственно относится к данному курсу) охватывает выбор ансамбля сигналов и построение приёмного устройства с целью предупредить попадание внешних помех непосредственно в решающее устройство (демодулятор) и минимизировать вероятность вызванных ими ошибок, если они всё же проникнут в него. Вопросы, связанные с взаимным влиянием различных систем передачи сообщений (связи) друт на друга, за последние годы интенсивно изучаются теорией электромагнитной совместимости (ЭМС).

Сосредоточенные помехи наблюдаются почти исключительно в радиоканалах. Защита демодулятора от их попадания осуществляется обычно линейными цепями специальных

блоков (входные избирательные цепи, преобразователи частоты, резонансные и полосовые усилители и т.п.) различных приёмных устройств. Способность ослабить сосредоточенную помеху на входе решающей схемы приёмника определяет его избирательность. Частотная избирательность обеспечивается тем, что до подачи сигнала на вход демодулятора он фильтруется в упомянутых выше линейных цепях, полоса пропускания которых достаточна для того, чтобы сигнал прошёл без существенных искажений, а сосредоточенные помехи, лежащие вне полосы пропускания, при этом подавляются. Помимо частотной избирательности широко используют также пространственную избирательность, основанную на применении узконаправленных приёмных антенн. Важно отметить, что воздействие сосредоточенных помех возрастает при увеличении нелинейности входных каскадов приёмника, поскольку возникающие при этом комбинационные частоты (даже если помеха на входе приёмника непосредственно и не попала в полосу пропускания) могут оказаться в полезной области частот. Вопросы защиты радиоприёмника от сосредоточенных помех составляют основное содержание курса радиоприёмных устройств.

Очевидно, для уменьшения вероятности попадания сосредоточенной помехи в полосу частот спектра сигнала желательно использовать как можно более узкополосные сигналы. Именно поэтому в течение многих десятилетий для передачи дискретных сообшений по радиоканалам применялись (применяются успешно и сегодня) только простые узкополосные сигналы (AM, ЧМ, ОФМ), элементы которых являются отрезками синусоиды. Однако за последние 30-35 лет наметился и другой подход, связанный с существенным расширением спектра сигнала усложнением его формы или с использованием шумоподобных сигналов. Как можно показать (см., например, [5]), шумоподобные сигналы позволяют успешно передавать сообщения в многолучевых каналах. Но, как это ни парадоксально, применение шумоподобных сигналов оказалось полезным и для защиты от узкополосных сосредоточенных помех. Дело в том, что если спектр узкополосного сигнала перекрывается мошной сосредоточенной помехой, то практически не удаётся избежать возникновения ошибок. Если же такая помеха окажется в полосе широкополосного сигнала, то в принципе существует возможность "вырезать" её режекторным фильтром (или другими способами) и по оставшейся части спектра широкополосного сигнала восстановить переданную информацию. Поэтому, хотя вероятность попадания сосредоточенной помехи в спектр широкополосного сигнала больше, чем в спектр узкополосного, вероятность ошибок, создаваемых такой помехой, при широкополосном сигнале (и рационально построенном приёмнике) может оказаться значительно меньше.

Простейшим способом построения широкополосного сигнала для защиты от. сосредоточенных помех является объединение нескольких узкополосных сигналов, передающих одинаковую информацию, на смежных полосах частот с осуществлением частотно-разнесённого приёма. При этом схема автовыбора строится так, что к решающему устройству подключаются только ветви, не поражённые сосредоточенными помехами. Более сложные системы часто строятся с использованием "блока защиты от сосредоточенных помех", который представляет собой ряд параллельно включённых узкополосных фильтров со смежными полосами пропускания, рассчитанных так, что вместе они пропускают без существенных искажений весь широкополосный сигнал. Этот блок включается на вход демодулятора и управляется устройством, анализирующим напряжение на выходе каждого фильтра и запирающим те из них, в которых обнаруживаются мощные сосредоточенные помехи. Для защиты от импульсных помех предложены различные способы, наиболее эффективные из которых основаны на амплитудном ограничении входного сигнала до его фильтрации или на мгновенном запирании приёмника на время действия помехи. А. Н. Щукин показал, что, применяя ограничитель в широкополосном тракте приёмника и пропуская ограниченный сигнал через узкополосный фильтр, можно при надлежащем выборе полос пропускания подавить импульсные помехи без заметного ухудшения помехоустойчивости относительно сосредоточенных и флуктуационных помех. Такая система получила название ШОУ (широкополосный фильтр, ограничитель, узкополосный фильтр). В современных устройствах роль узкополосного фильтра выполняют обычно согласованные фильтры демодулятора.

Пусть входной сигнал приёмника подаётся на двусторонний амплитудный ограничитель. Если уровень ограничения выбран несколько выше напряжения полезного сигнала, то при отсутствии импульсной помехи схема приёмника остается линейной. Если же появится импульсная помеха с уровнем большим, чем она будет ограничена. Таким образом, импульсная помеха длительностью со сколь угодно большой амплитудой на входе, трансформируется в импульс с площадью Амплитуда этого импульса примерно равна амплитуде

сигнала, а спектр его сильно отличается от спектра сигнала. Поэтому после прохождения через узкополосный (или согласованный) фильтр подавляющая часть энергии импульсной помехи отсеивается и она не вызывает ошибок.

Однако в реальных условиях уровень достигается и сосредоточенной помехой, а из-за нелинейного элемента в схеме (ограничителя) образуются комбинационные частоты сосредоточенной помехи, которые в дальнейшем трудно отфильтровать. Установка ограничителя после узкополосного фильтра, устраняющего влияние сосредоточенной помехи, неэффективна, ибо на выходе такого фильтра длительность импульсной помехи возрастает и условие не может быть выполнено.

Метод мгновенного запирания приёмника на время действия импульсной помехи также не лишён недостатков. Во-первых, во время запирания и отпирания возникают переходные процессы, искажающие работу демодулятора; во-вторых, суммарное входное колебание (сигнал плюс сосредоточенная и флуктационная помехи) оказывается при этом промодулированным импульсом запирания, из-за чего появляются дополнительные частотные составляющие, которые могут попасть в полосу сигнала.

Можно отметить частотно-временную дуальность между гармонической и импульсной помехами (спектральные характеристики сосредоточенной по спектру помехи напоминают временные характеристики импульсной, и наоборот). Это обстоятельство объясняет, почему меры борьбы с импульсной и сосредоточенной помехами в приёмном устройстве взаимно противоположны. Упомянутые выше шумоподобные сигналы можно с успехом использовать и для борьбы с импульсными помехами вследствие их различия по форме. Фильтр приёмника, согласованный с таким шумоподобным сигналом, преобразует сигнал в короткий интенсивный (в зависимости от энергии сигнала) импульс, длительность которого обратно пропорциональна полосе частот сигнала. Импульсная же помеха превращается этим фильтром в колебание малой интенсивности, имеющее характер шума, слабо маскирующего сигнал.

За последние годы предложены схемы защиты от сосредоточенных и импульсных помех, основанные на оценивании этих помех и вычитании сигнала оценки из принимаемого колебания (компенсационные методы). При этом такие схемы в условиях изменения характеристик помех становятся адаптиеньши. Эффективной мерой защиты от сосредоточенных и импульсных помех является разнесённый приём одновременно по частоте и времени. Из ветвей частотного разнесения следует выбирать те, в которых меньше (или нет совсем) сосредоточенных помех, а из ветвей разнесения во времени те, где нет импульсной помехи. Весьма эффективны также методы защиты от различных помех, основанные на помехоустойчивом кодировании, которое рассматривается в гл. 7.