4.8. ПРИЕМ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ В КАНАЛАХ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ И ИМПУЛЬСНЫМИ ПОМЕХАМИ

Выше помехоустойчивость дискретных систем связи определялась с учетом 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. В принципе, такие помехи в. системах связи не являются неизбежными, что позволяет осуществлять ряд мер, уменьшающих вероятность возникновения такой помехи на входе приемного устройства или устраняющих их воздействие на демодулятор.

Заметим, что если на вход приемного 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 приемника поступают отдельные мощные импульсные или сосредоточенные помехи. В таком канале, если не принимать специальных мер, прием дискретных сообщений сопровождается дополнительными ошибками и связь может быть полностью нарушена.

Все мероприятия по защите от внешних помех можно разбить на три группы.

К первой из них относятся 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.

Ко второй группе можно отнести мероприятия, целью которых является воспрепятствовать проникновению помех на вход демодулятора. С этой целью в системах проводной связи осуществляется скрещивание проводов воздушных линий, совершенствуется конструкция кабелей для уменьшения взаимных влияний между жилами и улучшения экранирования от внешних влияний и т. д. В радиосвязи для этого устанавливается рациональное распределение частот между отдельными службами и каналами, с учетом

размещеиия передатчиков и приемников и условий распространения радиоволн. Для выполнения мероприятий первых двух групп созданы 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 относящаяся к данному курсу, охватывает выбор ансамбля сигналов и построения приемного устройства с целью предупредить попадание внешних помех непосредственно в решающее устройство (демодулятор) и минимизировать вероятность вызванных ими ошибок, если они все же проникнут в него.

Сосредоточенные помехи наблюдаются почти исключительно в радиоканалах. Защита демодулятора от попадания сосредоточенной помехи осуществляется обычно линейными цепями специальных блоков (входные избирательные цепи, преобразователи частоты, резонансные и полосовые усилители и т. п.) различных приемных устройств. Способность ослабить сосредоточенную помеху на входе решающей схемы приемника 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 прошел без существенных искажений, а сосредоточенные помехи, лежащие вне полосы пропускания, при этом подавляются. Помимо частотной избирательности широко используется также пространственная избирательность, основанная на применении узконаправленных приемных антенн. Важно отметить, что воздействие сосредоточенных помех возрастает при увеличении нелинейности входных каскадов приемника, поскольку возникающие при этом комбинационные частоты (даже если помеха на входе приемника непосредственно и не попала в полосу пропускания) могут оказаться в полезной области частот. Вопросы защиты радиоприемника от сосредоточенных помех составляют основное содержание курса радиоприемных устройств.

Очевидно, что 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 сообщений по радио применялись только простые узкополосные сигналы (АМ, ЧМ, ОФМ), элементы которых являются отрезками синусоиды. Однако за последние 20—25 лет появилась тенденция к существенному расширению спектра сигнала путем усложнения его формы либо просто путем сокращения длительности посылки. Как уже упоминалось в предыдущем параграфе, широкополосные сигналы позволяют успешно передавать информацию в многолучевых каналах. Но, как это ни парадоксально, применение широкополосных сигналов оказалось полезным и для защиты от узкополосных сосредоточенных помех. Дело в том, что если спектр узкополосного сигнала перекрывается мощной сосредоточенной помехой, то практически не удается избежать возникновения ошибок. Если же такая помеха окажется в полосе широкополосного сигнала, то, в принципе, существует возможность «вырезать» ее 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 приемнике) 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 частотноразнесенного приема. При этом схема автовыбора строится так, что к решающему устройству подключаются только ветви, не пораженные сосредоточенными помехами.

Более сложные системы часто строятся с использованием «блока защиты от сосредоточенных помех», который представляет собой ряд параллельно включенных 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 приемника на время действия помехи.

В 1946 г. академик А. Н. Щукин показал, что, применяя ограничитель в широкополосном тракте приемника 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 приемника подается на двусторонний амплитудный ограничитель с амплитудной характеристикой рис. 4.25. Если уровень выбран несколько выше напряжения полезного сигнала, то при отсутствии импульсной помехи схема приемника остается линейной. Если же появляется импульсная помеха с уровнем, большим, чем она будет ограничиваться. 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.

Рис. 4.25. Характеристика идеального двустороннего ограничителя

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 напряжение импульсной помехи расплывается во времени и условие не может быть выполнено.

Метод мгновенного запирания приемника на время действия импульсной помехи также не лишен недостатков. Во-первых, во время запирания и отпирания возникают переходные процессы, искажающие работу демодулятора, во-вторых, суммарное входное колебание (сигнал плюс сосредоточенная и флуктуационная

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 приемном устройстве взаимно противоположны.

Эффективной мерой защиты от сосредоточенных и импульсных помех является разнесенный прием 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. 5.