10. ФИЛЬТРАЦИЯ МОЩНЫХ ПОМЕХ

10.1. Мощные помехи и принципы борьбы с ними

При передаче информации на большие расстояния в некоторых случаях мощность преднамеренной помехи на входе приемника в его полосе пропускания может значительно превышать (на мощность сигнала. Борьба с такими мощными помехами в системах связи всегда была и остается серьезной технической задачей. Решение этой задачи имеет большое значение еще и потому, что число различных радиоэлектронных средств возрастает, а диапазоны частот остаются теми же.

Для борьбы с мощными преднамеренными помехами можно использовать шумоподобные или сложные сигналы и согласованные фильтры или корреляторы [58]. Этот метод успешно применяется в различных радиотехнических системах, в том числе и в системах связи.

Помехоустойчивость приемника дискретной информации с согласованным фильтром (или коррелятором) полностью определяется отношением сигнал-помеха на выходе фильтра

где Е - энергия сигнала; спектральная плотность мощности помехи на входе приемника. Если средняя мощность помехи ограничена и помеха действует в полосе частот сигнала, то Поскольку энергия сигнала то

где отношение мощностей сигнала и помехи на входе приемника

Отношение сигнал-помеха и отношение сигнал-помеха определяющее помехоустойчивость приема, связаны соотношением

Соотношение (10 .2) является основополагающим в технике борьбы с мощными помехами [58]. Оно показывает, что при достаточно большой базе можно получить отношение сигнал-помеха достаточным для надежного приема, даже если мощность сигнала на входе приемника много меньше мощности помехи, т. е. если Действительно, пусть, например, а требуется иметь на выходе В этом случае необходимо применять ШПС с базой или Как показывают энергетические расчеты, в современных системах связи с

С другой стороны, помехоустойчивость оптимального приемника при действии помех с ограниченной спектральной плотностью мощности не зависит от формы сигнала и его базы, а определяется только его энергией согласно (10.1). Помехи, у которых т. е. называются мощными.

Таким образом, соотношение (10.2) указывает метод борьбы с мощными преднамеренными помехами: использование ШПС с большими базами. Этот метод известен давно [58], и он непосредственно следует из теоремы Шеннона [2] о пропускной способности канала связи с шумами. Эта теорема гласит, что можно найти такие коды, что пропускная способность канала связи

где ширина спектра сигналов, равная ширине полосы канала, отношение сигнал-помеха по мощности на входе приемника (10.3). Если действует мощная помеха, т. е. то Соответственно

Согласно теореме Шеннона, если имеют место соотношения (10.4), (10.5), то можно вести передачу информации по такому каналу со сколь угодно малой вероятностью ошибки. В свою очередь, если в (10.2) заменить Т на где скорость передачи информации (длительность двоичной единицы), то

Сравнивая (10.6) с (10.5), можно заметить, что если положить т. е. вести передачу информации со скоростью, равной пропускной способности канала, то значение отношения сигнал-помеха является пороговым для такой системы связи: если пор, то ошибка будет сколь угодно малой, если пор, то ошибка резко возрастет в соответствии с теоремой Шеннона.

Таким образом, соотношение (10.2) и целесообразность применения ШПС для борьбы с мощными помехами вытекают из теоремы Шеннона. Впервые формула (10.2) была получена для шумовых помех с ограниченной средней мощностью, но она справедлива для других помех, в том числе для узкополосных, импульсных и структурных (помехи, имеющие ту же структуру, что и полезный сигнал) [4, 59]. К структурным помехам относят помехи внутрисистемные, ретрансляционные, имитационные.

В последнее время борьба с преднамеренными помехами в системах связи ведется в более широком плане: необходимо обеспечить работоспособность системы связи при одновременном действии комплекса помех, например, собственного шума приемника, мощной шумовой, импульсной и внутрисистемной структурной помех и т. п.

В большей части известных работ рассматривается совместное воздействие шумовой и узкополосных помех. В этом случае в состав оптимального приемника должны входить режекторные фильтры, подавляющие узкополосные помехи, что является естественным. Если просуммировать спектральные плотности узкополосной и шумовой помехи, то оптимальный прием сводится к приему сигнала на фоне коррелированной помехи (помехи с неравномерной спектральной плотностью мощности). Эта задача была решена В. А. Котельниковым в 1947 г. [1]. Он показал, что оптимальный приемник должен содержать «обеляющий» фильтр, коэффициент передачи которого тем меньше, чем больше спектральная плотность помехи. По сути дела «обеляющий» фильтр положен в основу всех оптимальных методов приема сигнала на фоне шумовых и узкополосных помех при известных параметрах помех и всех адаптивных методов приема, когда параметры узкополосных помех неизвестны.

Борьбе с импульсными помехами также посвящено много работ, но в большинстве случаев используют схему ШОУ (широкая полоса — ограничитель — узкая полоса), предположенную А. Н. Щукиным в 1946 г. [60]. Схема ШОУ непосредственно или в модифицированном виде входит в приемники, которые принимают сигналы на фоне шумовых и импульсных помех. Ограничитель подавляет импульсные помехи, но уменьшает отношение сигнал-шумовая помеха. Совместное использование режекторных (полосовых) фильтров и схем ШОУ составляет основу некоторых эмпирических методов борьбы с узкополосными, импульсными, шумовыми и структурными помехами [61, 62] и др.

Наряду с эмпирическими методами приема существуют общие методы синтеза адаптивных приемников [63, 64] и др. Характеристики адаптивного приемника должны слабо зависеть от параметров функций распределения помех. Однако существующие методы синтеза адаптивных приемников пока еще не дали окончательного ответа на вопрос, как построить приемник для систем связи с ШПС и какими характеристиками он будет обладать, хотя общая структура таких приемников известна [65], а именно: это

многоканальный приемник, в котором анализатор измеряет уровни помех в каналах и изменяет их коэффициент передачи. В работе [66] исследован квазиоптимальный адаптивный приемник для ШПС в виде фазоманипулированного сигнала, который либо подключает канал к выходу, либо отключает его. В системах связи оптимальные и квазиоптимальные адаптивные приемники уже давно используют при разнесенном приеме [65 и др.]. Однако разнесенный прием осуществляется при малом числе каналов, а современные приемники ШПС характеризуются большим числом каналов, что обусловливает ряд их особенностей. Поэтому исследование помехоустойчивости систем связи с ШПС является актуальной задачей, что подтверждается выходом в свет в нашей стране книги [65] и выпуском за рубежом специальных номеров журнала [67, 68].

Таким образом, для борьбы с мощными помехами следует использовать ШПС с большими базами, а прием осуществлять с помощью приемников — линейных с согласованными фильтрами, нелинейных и адаптивных [4, 5, 69].

По своим частотно-временным свойствам помехи с ограниченной мощностью можно резделить на сосредоточенные, узкополосные, импульсные и структурные.

Сосредоточенными помехами называются такие, у которых ширина спектра совпадает с шириной спектра сигнала (сигналов) т. е. и помеха полностью перекрывает спектр сигнала. Узкополосными помехами являются те, у которых Импульсные помехи определяются по длительности Структурными помехами называются такие, структура которых подобна структуре используемых сигналов, т. е. помехи состоят из тех же элементов, что и сигналы, но отличаются параметрами манипуляции. К структурным помехам относятся все взаимные или системные помехи, а из организованных — имитационные и ретранслированные.

Рис. 10.1. Частотно-временная плоскость

Для исследования воздействия комплекса помех на полезный сигнал рассмотрим распределение энергии сигнала и помех на частотно-временной плоскости (рис.

10.1), где выделен базисный прямоугольник, площадь которого равна базе полезного сигнала В. Несущая частота сигнала обозначена как Базисный прямоугольник разбит на частотно-временные элементы (ЧВЭ) с помощью М частотных (горизонтальных) и М временных (вертикальных) полос. Длительность и ширина спектра ЧВЭ равны соответственно. Штриховкой выделены те ЧВЭ,

в которых энергия произвольной структурной помехи распределена в виде ДЧ сигнала. Толстой горизонтальной линией изображено распределение энергии узкополосной помехи с шириной спектра а вертикальной — распределение энергии импульсной помехи с длительностью .

Воздействие мощных помех существенно зависит от их мощности. Если спектральная плотность мощности помехи описывается функцией то средняя мощность помехи

Если интеграл в (10.7) сходится (имеет смысл), то мощность домехи равна некоторой конечной величине. Помехи такого рода будем называть помехами с ограниченной (постоянной) мощностью. При этом Некторые виды мощных организованных помех нельзя отнести к помехам с ограниченной мощностью, поскольку у таких помех спектральная плотность мощности постоянна в пределах полосы частот, которая намного шире ширины спектра сигнала. Будем называть их помехами с ограниченной

Рис. 10.2. Распределение энергии ШПС на частотно-временной плоскости

спектральной плотностью. К ним относится заградительная шумовая помеха. Помехоустойчивость приема информации при воздействии помех с ограниченной спектральной плотностью мощности не зависит от формы сигналов и полностью определяется отношением сигнал-помеха (10.1). Для повышения помехоустойчивости необходимо применять -ичные алфавиты.

Распределение энергии полезного сигнала в базисном прямоугольнике зависит от типа сигнала. На рис. 10.2 показано распределение энергии для четырех наиболее распространенных типов ШПС: а — для фазоманипулированного (ФМ) сигнала, состоящего из радиоимпульсов длительностью (энергия каждого импульса распределена в вертикальной полосе шириной и длительностью фазы импульсов (0 или указаны над базисным прямоугольником); для дискретного частотного (ДЧ) сигнала, состоящего из радиоимпульсов, каждый из которых распределен на прямоугольнике со сторонами То и в — для дискретного составного частотного сигнала с частотной манипуляцией состоящего из радиоимпульсов, которые сгруппированы в К ЧВЭ длительностью и шириной спектра для дискретного составного частотного сигнала с фазовой манипуляцией (ДСЧ - ФМ), который состоит из К ЧВЭ длительностью и шириной спектра а каждый ЧВЭ содержит 5 радиоимпульсов. Энергия отдельного радиоимпульса сосредоточена в вертикальной полосе со сторонами В табл. 10.1 приведены сравнительные данные рассмотренных сигналов.

Таблица 10.1. Параметры ШПС

Помехоустойчивость приема ШПС при действии мощных помех во многом зависит от помехоустойчивости приема отдельного элемента ШПС. Поэтому приведем основные сведения по приему элемента сигнала.