4.3. ОПТИМАЛЬНЫЕ АЛГОРИТМЫ ПРИЕМА ПРИ ПОЛНОСТЬЮ ИЗВЕСТНЫХ СИГНАЛАХ (КОГЕРЕНТНЫЙ ПРИЕМ)

Предположим, что все искажения в канале строго детерминированы и случайным является только гауссовский аддитивный шум который будем вначале полагать белым, со спектральной плотностью Это значит, что при передаче сигнала (символа приходящий сигнал можно описать моделью (3.28):

где все известны. Неизвестны лишь реализация помехи и индекс действительно переданного сигнала, который и должна определить решающая схема.

Будем также считать, что все являются финитными сигналами, длительность которых Это имеет место, если передаваемые сигналы финитны и имеют одинаковую длительность (система синхронная), а в канале нет ни многолучевого распространения, ни линейных искажений, вызывающих растяжение сигнала (либо они скорректированы).

В дальнейшем будем везде полагать, что в системе обеспечена надежная тактовая синхронизация, т. е. границы тактового интервала, на котором приходит сигнал известны точно. Вопросы синхронизации весьма существенны при реализации оптимальных демодуляторов и синхронных систем связи вообще, но они выходят за пределы данного курса. Момент начала посылки примем за нуль.

Определим в этих условиях алгоритм работы оптимального (т. е. основанного на правиле максимального правдоподобия) демодулятора, анализирующего сигнал на тактовом интервале С этой целью необходимо найти отношения правдоподобия для всех возможных сигналов относительно нулевой гипотезы

Задача затрудняется тем, что ширина спектра сигнала бесконечна (поскольку он финитный), а поэтому пространство сигналов бесконечномерное Для таких сигналов (или бесконечномерных векторов), как уже отмечалось, не существует плотности вероятностей. Однако существуют -рные плотности вероятностей для любых сечений сигнала (см. § 2.1).

Заменим вначале белый шум. квазибелым, имеющим ту же одностороннюю спектральную плотность мощности но только в некоторой полосе частот где 1. Рассмотрим вначале нулевую гипотезу, т. е. будем считать, что — шум. Возьмем на тактовом интервале равноотстоящих сечений через Отсчеты в этих сечениях для квазибелого гауссовского шума независимы в соответствии с (2.49). Поэтому -мерная плотность вероятностей для взятых отсчетов

где дисперсия (мощность) квазибелого шума.

При гипотезе, что передавался символ Следовательно, условная -мерная плотность вероятности сечений определится такой же формулой, как и (4.18), если заменить разностью

Отношение правдоподобия для сигнала (относительно нулевой гипотезы), вычисленное для сечений:

Заменим дисперсию ее выражением:

Тогда

По правилу максимума правдоподобия в случае квазибелого шума решающая схема должна выбирать значение обеспечивающее максимум Вместо максимума можно отыскивать максимум его логарифма:

Заметим, что второй член в (4.22) не зависит от и его можно при сравнении не учитывать. Тогда правило решения о том, что передавался сигнал можно сформулировать следующим образом:

В -мерном евклидовом пространстве определяет норму разности векторов или расстояние между ними. Поэтому алгоритм (4.23) можно записать в виде

и придать ему простую геометрическую интерпретацию: оптимальный демодулятор должен регистрировать тот из сигналов (соответствующий символу который «ближе» к принятому колебанию В качестве примера на рис. 4.2 показано оптимальное разбиение двумерного пространства принимаемых сигналов при передаче двоичных сигналов Области принятия решения в пользу символов расположены по обе стороны от

Рис. 4.2. Оптимальное разбиение пространства принимаемых колебаний при двоичном коде и точно известных сигналах

Преобразуем (4.22), раскрыв скобки и произведя сокращения:

Вернемся теперь к исходной задаче для белого шума. С этой целью будем расширять полосу Тогда число сечений будет стремиться к бесконечности, к нулю. Суммы в (4.24) обратятся в интегралы, и логарифм отношения правдоподобия определится как

а алгоритм решения о передаче примет вид

где энергия ожидаемого сигнала

Устройство, непосредственно вычисляющее скалярное произведение,

называют активным фильтром, или коррелятором, поэтому приемник, реализующий алгоритм (4.26), называют корреляционным.

На рис. 4.3 показана структурная схема приемного устройства, работающего в соответствии с (4.26). Здесь блоки X — перемножители; А — генераторы опорных сигналов — интеграторы, вычитающие устройства; решающее устройство, определяющее в моменты времени, кратные (при замыкании ключа), номер ветви с максимальным сигналом.

Если сигналы выбраны таким образом, что все их реализации (а следовательно, и все реализации имеют одинаковые энергии алгоритм

Рис. 4.3. Оптимальный демодулятор при точно известных сигналах

приема (4.26) (и соответственно его реализация) упрощается (отпадает необходимость в вычитающих устройствах) и принимает

Из (4.29) видно, что правило решения не изменится, если сигнал поступающий на вход демодулятора, умножить на любое число. Поэтому система, в которой все реализации сигнала имеют равную энергию, отличается тем, что оптимальный алгоритм приема в ней не требует знания «масштаба» приходящего сигнала или, другими словами, знания коэффициента передачи канала. Эта важная особенность обусловила широкое распространение систем сигналов с равной энергией, которые обычно называют системами с активной паузой. Особенно важна эта особенность для каналов с замираниями, в которых коэффициент передачи флуктуирует (см. ниже § 4.7).

Следует подчеркнуть, что правильный тактовый синхронизм для выявления границ посылок (съем сигналов на выходе блока в моменты времени, кратные и сброс напряжения с интегратора после принятия решения) является непременным условием практической реализации рассмотренных алгоритмов по схеме рис. 4.3.

Для наиболее распространенной двоичной системы неравенств (4.26) остается лишь одно, и алгоритм приема можно представить в более простом виде:

где разностный сигнал; пороговый уровень. Для системы с активной паузой что значительно облегчает реализацию оптимальной схемы.

При выполнении неравенства (4.30) регистрируется символ 1, в противном случае — 0. Для реализации (4.30) в схеме рис. 4.3 требуется лишь одна ветвь.

На рис. 4.4 показана схема, реализующая алгоритм (4.30) для двоичной системы передачи однополярными импульсами (с пассивной паузой):

Рис. 4.4. Реализация оптимального приема двоичных прямоугольных видеоимпульсов

При этих сигналах и правило (4.30) примет следующий вид:

Интегрирование в схеме рис. 4.4 осуществляется с достаточной точностью цепью при условии, что При этом на конденсаторе С напряжение в момент равно — Следовательно, правило сводится к тому, что это напряжение должно превысить пороговый уровень который и вводится в При выполнении этого неравенства в записывается 1, при невыполнении — 0. После этой записи (происходящей при замыкании ключа необходимо произвести сброс напряжения с интегратора, чтобы можно было принимать следующий элемент сигнала. Сброс осуществляется замыканием ключа разряжающего конденсатор.

Эта же схема, с небольшой модификацией, может использоваться для демодуляции в двоичной системе передачи двухполярными импульсами (с активной паузой): При этом следовательно, В этом случае правило (4.30) после сокращения принимает вид

Его реализует схема рис. 4.4, если пороговый уровень X положить равным нулю. При этом превращается в дискриминатор полярности, выдающий символ 1, когда на его входе напряжение положительно, противном случае.

Рассмотренные две системы используются в простейших устройствах проводной связи. В радиоканалах, а также в современных кабельных каналах используются высокочастотные сигналы. Наиболее простыми двоичными системами с гармоническими сигналами являются системы с амплитудной (AM), фазовой (ФМ) и частотной манипуляцией.

В двоичной Все входящие сюда постоянные в этом параграфе полагаем известными. Поскольку здесь правило (4.30) запишется так:

Оно реализуется схемой рис. 4.5, которая отличается от рис. 4.4. блоком перемножения приходящего сигнала с опорным сигналом Пороговый уровень в этом случае равен

Рис. 4.5. Реализация оптимального приема в двоичной системе AM, ФМ при точно известном сигнале

При двоичной ФМ системе

Это — система с активной паузой, и поэтому в Легко убедиться, что правило решения сводится при этом к следующему: и

реализуется той же схемой рис. 4.5 при В этом случае играет роль дискриминатора полярностей.

Рассмотрим вкратце случай, когда гауссовский шум в канале не белый и не «вазибелыи, а «окрашенный», т. е. имеет неравномерную спектральную плотность мощности полосе спектра сигнала. Пропустим приходящую на вход демодулятора сумму сигнала и шума через фильтр с передаточной функцией такой, чтобы в полосе спектра сигнала произведение было постоянной величиной Из всех возможных фильтров с удовлетворяющих этому условию и различающихся только фазо-частотной характеристикой, выберем минимально фазовый, который является обратимым. Очевидно, что на выходе фильтра шум окажется квазибелым; Поэтому такой фильтр называется обеляющим.

Сигнал после прохождения через обеляющий фильтр превратится в некоторый другой сигнал, который обозначим Вид его можно определить, зная Если теперь подать колебания с выхода обеляющего фильтра на демодулятор, являющийся оптимальным Для приема сигналов то получим схему рис. 4.6а.

Рис. 4.6. К доказательству оптимальности демодулятора с обеляющим фильтром

Докажем, что эта схема является оптимальной для сигналов при окрашенном шуме.

Предположим, что это неверно, т. е. что существует некоторый демодулятор, обеспечивающий меньшую вероятность ошибки, чем демодулятор рис. 4.6а, если на тот и другой поступают сигналы на фоне окрашенного шума. Предполагается, что априорные вероятности всех сигналов одинаковы.) Подключим к входу этого воображаемого оптимального демодулятора фильтр, обратный обеляющему, с передаточной функцией (рис. 4.66) и будем подавать на вход этого фильтра сигналы на фоне белого шума со спектральной плотностью Легко видеть, что на выходе фильтра будут сигналы а шум будет окрашенным, со спектральной плотностью т. е. на вход воображаемого оптимального демодулятора будут поступать именно те сигналы и тот шум, на которые он рассчитан. Таким образом, схема рис. 4.66 представляет собой демодулятор для сигналов на фоне белого шума, в котором вероятность ошибок меньше, чем в оптимальном демодуляторе, подключенном к выходу обеляющего фильтра на рис. 4.6а. Это противоречие и доказывает, что не может существовать демодулятор для сигналов на фоне окрашенного шума лучший, чем на рис. 4.6а.

Заметим, что при реализации такого демодулятора с обеляющим фильтром возникают трудности, связанные с тем, что сигналы при прохождении через фильтр, как правило, растягиваются и возникает взаимное наложеине элементов, сигнала Существует ряд путей преодоления этой трудности, однако подробный анализ их выходит за пределы курса

Следует обратить внимание на то, что в схеме рис. 4.5 опорный сигнал должен иметь те же начальные фазы, что и ожидаемые приходящие сигналы или, другими словами, должен быть когерентным с приходящими сигналами. Это требование обычно затрудняет реализацию демодулятора и требует введения в него помимо указанных на рис. 4.5 блоков дополнительных устройств, предназначенных для регулировки фаз опорных сигналов.

Все методы приема, для реализации которых необходимо точное априорное знание начальных фаз приходящих сигналов, называются когерентными. В тех случаях, когда сведения о начальных фазах ожидаемых сигналов извлекаются из самого принимаемого сигнала (например, если фаза флуктуирует, но настолько медленно, что может быть предсказана по предыдущим элементам сигнала), прием называют квазикогерентным. Если же сведения о начальных фазах приходящих сигналов отсутствуют или по каким-либо соображениям не используются, то прием называют некогерентным (см. ниже § 4.6).