Использование широкополосной технологии для повышения помехоустойчивости приема сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹Военная академия связи, г. Санкт-Петербург, Россия

Использование широкополосной технологии для повышения помехоустойчивости приема сигналов

Н. В. Савищенко¹, Е. В. Лебеда¹

Аннотация

Переход современных систем на цифровые способы обработки и передачи информации создает множество проблем при проектировании таких систем связи. Обеспечение во всех подобных системах высокой устойчивости системы является одной из важнейших задач. Проблема повышения помехоустойчивости передачи сообщений является одной из основных в технике связи.

Ключевые слова: широкополосная технология; помехоустойчивость; система связи; спектральная плотность мощности помехи.

Abstract

The transition of modern systems to digital methods of processing and transmission of information creates many problems in the design of such communication systems. Ensuring high stability of the system in all such systems is one of the most important tasks. The problem of increasing noise immunity of message transmission is one of the main in communications technology.

Keywords: broadband technology; noise immunity; communication system; spectral density of noise power.

При рассмотрении требований к системам связи в общем, и к системе широкополосной передачи в частности, видно, что одним из показателей её качественного функционирования является устойчивость. Как известно, устойчивость, например, военной системы связи - способность системы военной связи обеспечивать управление войсками в условиях воздействия на ее элементы различных видов оружия противника, опасных факторов техногенного и природного характера и помех всех видов [1].

Устойчивость системы также характеризуется помехоустойчивостью системы связи, то есть (как видно из определения устойчивости) способностью системы связи обеспечивать обмен информацией с заданным качеством при воздействии на систему различных видов помех.

На протяжении всего развития математической теории связи одним из ключевых вопросов был вопрос о потенциальной помехоустойчивости приема сигнальных конструкций [2].

Помехоустойчивость приема заданного сигнального ансамбля зависит от алгоритма приема и выбора сигнального ансамбля. При этом помехоустойчивость тем выше, чем больше величина квадрата евклидова расстояния d² при заданных N, M, E_m, где N - размерность пространства, M - число сигнальных точек, E_m - максимальная энергия сигнала [3].

1. Пути решения повышения помехоустойчивости

Основная сложность в организации и проведении мероприятий по помехозащите в настоящее время связанна с большим количеством различных видов радиопомех и способов борьбы с ними [4]. Наибольший интерес представляют специально организованные помехи, устанавливаемые с целью ухудшения предоставления системой связи необходимых услуг связи. Данные помехи можно классифицировать по следующим признакам: активные и пассивные, маскирующие и имитирующие, импульсные и непрерывные и т. д. [5].

В практических сценариях приходится сталкиваться с разнообразными типами помех, для нейтрализации деструктивного эффекта которых, как правило, необходимы специальные средства. Защита от естественных, взаимных и организованных помех базируется на отличии структуры и закономерностей изменения параметров, характерных полезным сигналам и мешающим воздействиям [6]. Защита от перечисленных типов помех обеспечивается [5]: предотвращением перегрузки приемников; компенсацией радиопомех; различного рода селекцией сигналов; адаптацией; перестройкой радиочастоты; использованием шумоподобных сигналов. Данная классификация основана на выделении полезного сигнала из полученной на приеме суммы помехи и сигнала.

Кроме защиты системы от помехи существует различные методы повышения помехоустойчивости [7]: увеличение мощности передатчика, выбор модуляции, использование помехоустойчивых приемников, использование помехоустойчивых кодов, многократное повторение сигнала (разнесенный прием) и другие. Одним из таких методов борьбы с помехами является применение технологии широкополосной передачи [8].

В разъяснении, как широкополосная технология может помочь в борьбе с помехами, будет рассмотрена ситуация воздействия на систему узкополосной помехи. Данный тип помех наиболее характерен для ситуаций, когда некоторая соседствующая система или системы не имеют враждебных намерений по отношению к рассматриваемой и создают помехи только как результат штатного функционирования.

На рисунке 1 представлены амплитудный спектрполезного сигнала и спектральная плотность мощности помехи , аппроксимированные прямоугольниками, на фоне равномерной спектральной плотности мощности N₀/2 аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ). Назовем помеху узкополосной только по той причине, что занимаемая ею полоса W_j уже полосы W, занимаемой сигналом, и имеются области, где спектр сигнала не подвержен искажению помехой. Рассматриваемая система не является адаптивной и не подстраивает каждый раз закон модуляции сигнала и алгоритмы обработки под текущую помеховую обстановку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Спектр сигнала, помехи и фонового аддитивного белого гауссовского шума

Другими словами, приемник системы всегда использует только фильтр, согласованный с АБГШ, невзирая на наличие или отсутствие помехи на входе. При отыскании отношения мощностей сигнала и результирующего мешающего воздействия (сигнал - (шум + помеха)) на выходе согласованного фильтра отметим, что для прямоугольного спектра сигнала равен константе в пределах полосы сигнала W и нулю вне ее. Амплитудная передаточная функция согласованного фильтра также равномерна в полосе сигнала W и равна нулю вне ее. Примем без потери общности ее ненулевое значение равным единице. Помеха, как случайный процесс, проходит на выход фильтра без изменения мощности J, мощность шума на выходе фильтра составит N₀W. Фильтр, согласованный с сигналом, когерентно суммирует все его гармоники, максимизируя выходную амплитуду до , где учтена равномерность спектра в полосе сигнала W, а удвоение обусловлено вкладом «отрицательных» частот. Энергия сигнала, по теореме Парсеваля. В итоге

(1)

Из равенства получаем, что, независимо от конкретной полосы помехи отношение сигнал - (шум + помеха) на выходе согласованного фильтра ведет себя, как если бы мощность помехи была равномерно распределена в полосе W сигнала, добавляя к естественному шуму дополнительный «АБГШ» со спектральной плотностью J/W.

В случае, если система способна адаптировать приемник к текущей помеховой обстановке, то оптимальной процедурой обработки при этом считается фильтрация, согласованная с полным мешающим воздействием, включающим узкополосную помеху. При помехе, многократно превышающей естественный АБГШ, подобная обработка эквивалентна простой режекции частотного интервала, в котором сосредоточена помеха. На рисунке 2 показан спектр на выходе режекторного фильтра: помеха полностью устраняется, однако вырезаются и гармоники сигнала в пределах полосы помехи вместе с шумовыми компонентами. Подобный спектральный рисунок трактуется, как если бы исходный сигнал занимал лишь часть полосы W, свободную от помех, и имел энергию .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Спектры сигнала и шума после режекции

Согласованный фильтр, очищая этот «остаточный» сигнал от АБГШ, обеспечивал бы выходное отношение мощностей сигнала и шума (индекс «J» отвечает помехе)

(2)

где - «истинное» отношение мощностей сигнала и шума на выходе согласованного фильтра в отсутствие помехи.

цифровой обработка информация помехоустойчивость

Заключение

Приведенные соотношения и свидетельствуют о выгодах сигналов с широким спектром с точки зрения иммунитета к узкополосным помехам: чем шире полоса сигнала W в сравнении с полосой помехи W_j. тем меньше дополнительная «шумовая» спектральная плотность в первом случае и энергетические потери - во втором (при постоянстве мощности помехи J), и следовательно, больше и. Однако, если пиковая мощность сигнала Р ограничена и не может быть увеличена, то расширение полосы сигнала не реализуется тривиальным укорочением сигнала, поскольку в этом случае энергия сигнала, а с ней и отношение сигнал - (шум + помеха) упадут.

Достижение высокой помехоустойчивости к узкополосной помехе без обращения к увеличению энергии и пиковой мощности возможно только при расширении спектра сигнала независимо от его длительности, т. е. использовании широкополосной технологии.

Литература

1. Пирогов Ю. А. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях и соединениях / Под общей ред. - СПб.: ВАС, 2007. - 540 с.

2. Савищенко Н. В. Специальные интегральные функции, применяемые в теории связи - Монография - СПб.: ВАС, 2012. - 560 с.

3. Бураченко Д. Л., Савищенко Н. В. Геометрические модели сигнально-кодовых конструкций. - СПб.: ВАС, 2012. - 338 с.

4. Семисошенко М. А. Управление автоматизированными сетями декаметровой радиосвязи в условиях сложной радиоэлектронной обстановки. - СПб.: ВАС, 1997. - 364 с.

5. Игнатов В. В, Сахин А. А. Развед- и помехозащищенность систем и средств военной связи. СПб.: ВАС, 2001. - 212 с.

6. Максимов М. Н. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова. - Москва.: Сов. Радио, 1976. - 496 с.

7. Белоцерковский Г. Б. Основы радиотехники. - М.: Советское радио, 1969. - 208 с.

8. Ипатов В. П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. - М.: Техносфера, 2007. - 488 с.

Размещено на Allbest.ru