Оценка эффективности приема пачки сверхширокополосных импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка эффективности приема пачки сверхширокополосных импульсов

Введение

Во многих случаях энергетического потенциала системы цифровой связи на основе излучения и приема модулированной последовательности сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов недостаточно для обеспечения заданной вероятности ошибки передачи информации на требуемое расстояние. Поскольку указанная вероятность определяется, в конечном счете, отношением сигнал/шум (с/ш) при приеме, то встает задача его увеличения накоплением информации в приемнике. Один из возможных способов заключается в передаче бита информации с помощью пачки СШП импульсов и последующем накоплении энергии в приемнике. Оптимальный приемник последовательности пачки из N импульсов, как известно, должен состоять из последовательно включенных согласованного фильтра для одного импульса и сумматора N сигналов с линии задержки с N отводами. Задержка импульсов в линии должна соответствовать временному интервалу между импульсами [1]. При этом отношение c/ш увеличивается в vN раз.

При использовании СШП импульсов пикосекундного диапазона длительностей реализация аналоговой линии задержки и сумматора вызывает технические сложности, поскольку в СВЧ диапазоне частот реализовать такие линию и сумматор без потерь и неоднородностей не представляется возможным. Как потери, так и неоднородности приводят к невозможности реализации оптимальных характеристик приемника.

Квазиоптимальный прием пачки импульсов осуществляется с помощью согласованного фильтра, который может быть реализован в виде рециркулятора (гребенчатого фильтра) с коэффициентом передачи обратной связи m [1]. Выигрыш по мощности при коэффициенте передачи кольца обратной связи рециркулятора m = 0,8, 0,88, 0,93 составляет 4, 8, 16 и достигается при числе импульсов в пачке 5, 10, 20 соответственно. Реализация рециркулятора для сверхширокой полосы представляет также значительные технические сложности при значениях параметра m близких к 1, требуемого для оптимального приема большого количества импульсов в пачке.

Более простые технические решения для приема СШП сигналов возможны с использованием диодного детектора (ДД). Ниже проведена оценка эффективности использования указанных методов приема СШП сигналов на основе достижимого увеличения отношения сигнал/шум.

1.Эффективность приема пачки СШП импульсов диодным детектором

сверхширокополосный цифровой сигнал

Эквивалентная схема детектора и форма СШП сигналов на входе приведена на рисунке 1. Входной сигнал Uc представляет пачку импульсов длительностью Т0, амплитудой Е и интервалом Т, наблюдаемых на фоне белого гауссового шума Uш с дисперсией у2. Для упрощения расчета использована прямоугольная форма импульсов и предполагается, что отношение с/ш > 1, так, что диод открывается под воздействием импульсного сигнала. Накопление сигнала происходит на конденсаторе С, сопротивление источника сигнала R0, сопротивление R определяет постоянную разряда ДД ф= СR. Пренебрегая внутренним сопротивлением диода D (которое может быть отнесено к R0), постоянная заряда конденсатора ф0= R0С <<ф.

Рис. 1. Схема ДД (а) и входной сигнал (б).

Под действием первого импульса на конденсаторе появляется напряжение U₁?EТи/R₀C = Eо, где о = Tи/R₀C< 1 - отношение длительности импульса к постоянной времени заряда, определяющее коэффициент прироста напряжения. К приходу второго импульса напряжение на конденсаторе уменьшится до значения U₁exp(-T/ф). Прирост напряжения на конденсаторе от второго импульса определяется разностью напряжений Е и напряжения на конденсаторе U₂=Eоe^-T/ф+ Eо(1-оe^-T/ф).

Таким образом, прирост напряжения от каждого последующего импульса меньше, чем от предыдущего. Суммируя напряжения от N импульсов, получим выражение для напряжения на конденсаторе

Одновременно с сигналом на конденсатор вносится напряжение шума. После первого импульса дисперсия шума . После второго импульса дисперсия шума . К моменту окончания пачки импульсов дисперсия шума

Для случая равенства длительности импульса постоянной времени заряда о=1 из (1) и (2) получаем U_N= E, . С каждым импульсом происходит полный заряд конденсатора до напряжения E и исходного уровня шума определяемого дисперсией у². Увеличения отношения с/ш не происходит. При T/ф >>1 U_N= Eо, а . В этом случае напряжение на конденсаторе затухает к приходу следующего импульса, и улучшения отношения с/ш также не происходит.

Отношение с/ш =U_N/у_N на выходе детектора находится из соотношений (1) и (2)

При малом о и малом отношении T/ф из выражения (3) следует c/ш? Е/у.

Следует отметить, что малое значение о определяет малый коэффициент передачи детектора, а скорость передачи информации пачкой импульсов определяется временем NT_и и временем разряда конденсатора (постоянной ф), поэтому увеличение постоянной времени разряда ф конденсатора для уменьшения отношения T/ф и увеличение количества импульсов также имеет ограничение.

Полученное из выражения (3) отношение (с/ш)/(Е/у) в зависимости от числа импульсов в пачке N, приведено на рис. 2 для значений параметра (1-о)e^-T/ф = 0,81 (T/ф =0,1, о=0,1), 0,89 (T/ф =0,01, о=0,1; T/ф =0,1, о=0,01) и 0,98 (T/ф =0,01, о=0,01).

Как следует из рисунка, при определенных условиях на постоянные заряда и разряда можно получить отношение сигнал/ шум на выходе ДД при приеме пачки из N импульсов близкое к оптимальному приемнику равное vN, однако, с ростом N это сопровождается уменьшением уровня выходного сигнала.

На практике сигналы, излучаемые антеннами, имеют ограниченный диапазон частот снизу и сверху. В этом случае более подходит форма модели сигнала передатчика в виде моноцикла, а для приема пачки СШП сигналов схема двух диодного детектора (рисунок 3,а). Модель сигнала излучаемых СШП импульсов в виде последовательности моноциклов показана на рисунке 3,б. Поскольку сигналы положительной и отрицательной полуволны детектируются независимо и затем суммируются операционным усилителем (ОУ), то данная схема будет иметь в v2 лучшее отношение с/ш по сравнению со значением, получаемым из (3).

Рис.3. Схема двух диодного детектора (а) и форма входного сигнала (б).

При слабом полезном сигнале (сравнимом с уровнем шума или меньше его) диоды работают на квадратичном участке. Из теории детектирования сигналов с шумом[2] следует, что отношение с/ш на выходе детектора в этом случае пропорционально квадрату этого отношения, поэтому если отношение сигнал/шум меньше единицы использование такого детектора не целесообразно.

Для выделения слабых сигналов предварительно следует использовать на входе приемника рециркулятор. Расчет эффективности приема пачки СШП импульсов на основе ДД и рециркулятора для малого отношения с/ш выполнено методами численного моделирования на ЭВМ.

2.Эффективность приема пачки СШП импульсов при малом отношении с/ш

Схема модели, используемая для расчета эффективности приема пачки СШП импульсов при малом отношении с/ш, показана на рисунке 4.

Рис.4. Схема модели для приема пачки СШП сигналов.

В качестве генератора пачки импульсов использовалась схема мультивибратора на PHEMT транзисторах. Форма выходного сигнала близка к гауссову моноциклу длительностью 200 пс с периодом повторения в пачке Т= 2 нс. Генератор шума формирует белый гауссов шум. Диодный детектор выполнен по схеме показанной на рис.3,а. Умножитель Гильберта выполнен по четырех квадрантной схеме на полевых транзисторах и использовался для сравнения эффективности выделения огибающей пачки ДД.

Проведенные расчеты показали, что эффективность выделения слабых сигналов пропорциональна выигрышу в отношении с/ш, получаемому преселектором (рециркулятором). При этом при отношении с/ш на входе близком к 1 для пачки из 16 импульсов при оптимальном согласовании рециркулятора отношение с/ш на выходе ДД составило около 20 дБ.

Шум после рециркулятора коррелирован, поэтому дополнительного выигрыша ДД при приеме не дает.

При использовании в схеме ДД диодов с квадратичной характеристикой использование умножителя на преобразователе Гильберта не дает преимуществ по сравнению с использованием ДД.

Использование большого количества импульсов в пачке определяется возможностями технической реализацией высокодобротного рециркулятора и допустимым снижением скорости передачи информации из-за увеличения длительности посылки одного бита.

Заключение

сверхширокополосный цифровой сигнал

В работе проведены оценка эффективности приема пачки СШП импульсов с помощью диодного детектора. Получены выражения для улучшения отношения сигнал/шум на выходе детектора, позволяющие оценить энергетический потенциал системы связи в случаях, когда допустимо увеличение длительности сигнала, представляющего единицу информации. Рассмотрена совместная работа диодного детектора и рециркулятора при слабом отношении сигнал/шум на входе.

Полученные оценки позволяют выполнить проектирование систем связи с использованием СШП сигналов.

Литература

1.Лезин Ю. С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. М.: Радио и связь, 1986. - 279 с.

2.Давенпорт В. Е., Рут В. А. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. М.: Издательство иностранной литературы, 1960. - 470 с.

Размещено на Allbest.ru