Применение разнесенного приема в каналах связи с замираниями для повышения помехоустойчивости

Размещено на http://www.allbest.ru/

применение разнесенного приема в каналах связи с замираниями для повышения помехоустойчивости

Н. В. Савищенко, О. А. Остроумов, Е. В. Лебеда

Военная академия связи, г. Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

Доклад посвящен методики оценки помехоустойчивости декаметровых каналов радиосвязи при разнесенном приеме многопозиционных сигналов. Обосновывается использование различных видов разнесенного приема для улучшения качества связи. Получены точные выражения расчета вероятности ошибки в канале связи в условиях замираний Райса и Релея.

Ключевые слова: замирания; разнесенный прием; вероятность ошибки; многопозиционные сигналы.

The application of diversity reception in channel with fading to increase noise immunity

N. V. Savishchenko, O. A. Ostroumov, E. V. Lebeda

Military Academy of communications, St.Petersburg, Russian Federation

Abstract. The report is dedicated to the noise immunity assessment method of high frequency radio communication channels at the diversity reception of the multipositioned signals. The usage of different kinds of the diversity reception for the communication quality improvement is proved. The accurate expressions of the error possibility calculation in the communication channel in the conditions of Rice and Releigh fading are received.

Keywords: fading; diversity reception; error possibility; multipositioned signals.

помехоустойчивость канал сигнал связь

Окружающая обстановка, в которой любая система передает и извлекает информацию, не всегда полностью дружественна по отношению к ней. На приемной стороне полезному сигналу могут сопутствовать наряду с тепловым шумом и иные искажения различной природы. Источником их, в частности, могут оказаться другие системы, работающие в том же или смежном частотном диапазоне. На надежность и качество связи в любом диапазоне волн существенное влияние оказывают помехи. Существует много способов защиты от помех [1]: предотвращение перегрузки приемников; компенсация радиопомех; различного рада селекцией сигналов; адаптацией; перестройкой радиочастоты; использование шумоподобных сигналов и т.д.

Одним из наиболее эффективных и часто используемых методов борьбы с помехами и замираниями радиоволн, средством повышения помехоустойчивости, достоверности и надежности связи является разнесенный прием. В случае если в канале связи замирания сигнала отсутствуют, помехоустойчивость при разнесенном приеме определяется степенью корреляции помехи в отдельных ветвях разнесения, также возникает дополнительная возможность повышения помехоустойчивости за счет слабой корреляции сигнала в отдельных ветвях разнесения [андронов].

Влияние замираний на помехоустойчивость каналов связи с разнесенным приемом

В системах с разнесенным приемом обеспечивается параллельная передача одной и той же информации по нескольким ветвям разнесения. Выделяют шесть видов разнесенного приема: по пространству, по времени и частоте, по углу прихода лучей, по поляризации и по отдельным лучам при многолучевом распространении.

Лучше всего на качество связи влияет использование пространственного разнесенного приема и поляризационного разнесенного приема. В этом случае максимально эффективно используется мощность передатчика. Временной и частотный разнесенный прием уступает пространственному разнесению по устойчивости. При временном разнесении, неизменной скорости и мощности передатчика длительность элемента уменьшается в L раз, тот же результат при частотном разнесении, если для каждой ветви используется свой передатчик. При частотном разнесенном приеме, реализованном на одном передатчике, мощность передатчика используется хуже. Однако, почти всегда, использование разнесенного приема позволяет повысить качество связи, без увеличения мощности передатчика, либо снизить эту мощность за счет использования большего количества ветвей. Проведенные исследования [2,3] показали. Что использование пространственного разнесенного приема дает выигрыш по помехоустойчивости почти в два раза, а с увеличением количества ветвей выигрыш имеется, но не такой значительный. В этом случае остается актуальным вопрос выбора необходимого количества ветвей разнесения, исходя из существующей обстановки (ограничений) по энергетическому, материальному и техническому обеспечению подразделений связи.

Выбор количества ветвей разнесения может определяться по различным критериям: минимальной стоимости, максимальной помехоустойчивости или помехозащищенности и т. д. В данной работе критерием выбора числа ветвей является минимум средней вероятности битовой ошибки: где вероятность ошибки в общем случае зависит от отношения сигнал/шум и от параметров, характеризующих замирания.

Существующие методики оценки помехоустойчивости систем с разнесенным приемом, представленные в [2,3], не учитывают позиционность передаваемых многомерных сигналов и влияние помехи подобной, сигналу.

Для анализа помехоустойчивости сигнальных конструкций при разнесенном приеме воспользуемся следующими предположениями: в каждой ветви разнесения осуществляется однолучевой прием сигналов; число ветвей разнесения L ? 1; величина г0 есть среднее отношение энергии сигнала к спектральной плотности шума (помехи), которое было бы, если бы тот же передатчик использовался для одиночного приема; для любой ветви разнесения помеха является аддитивным белым гауссовым шумом с односторонней спектральной плотностью мощности шума N0/2 и коэффициентом передачи µl, сигналы во всех ветвях некоррелированны; в каждой ветви разнесения отношения сигнал/шум есть величина для разнесенного приема справедливо соотношение , где г0? среднее отношение сигнал/шум в одной отдельной ветви разнесения и л?[0, 2] ?коэффициент эффективности использования мощности передатчика при разнесенном приеме [3, 4].

Отношение сигнал/шум при оптимальном когерентном приеме и некоррелированной по отдельным ветвям помехи, равно сумме всех отношений каждой из ветвей [3, 4] где тогда, предполагая упорядоченность по мощности, справедливо неравенство Энергетический выигрыш при переходе от одиночного к разнесенному приему будет Если в канале связи присутствуют замирания, то где щ(мl) ? плотность распределения вероятности коэффициента передачи мl для l - й ветви.

В теории связи для описания замираний в канале связи наибольшее применение нашли плотности распределения вероятностей Релея, Райса и Накагами [3, 5, 6], поэтому для дальнейших исследований удобно рассмотреть обобщенное распределение Райса ? Накагами RN(p, г, в) [4]:

(1)

включающее в себя, как частный случай плотности распределения Релея, Райса и Накагами. Введем понятие коэффициента глубины замираний для распределения Райса ? Накагами Плотность распределения Райса -- Накагами определяется параметрами (p, г, в, k2): для распределения Релея _ p = 1, г = 0, в = 1/у2, k2 = 0; для распределения Райса ? p = 1, г = м0/у2, в = 1/у2, ; для распределения Накагами p = m, г = 0, k2 = 0.

Полная вероятность ошибки в канале с разнесением и некоррелированными по ветвям замираниями (независимо от вида замираний) имеет вид [6]

(2)

где ? вероятность символьной (битовой) ошибки в канале с детерминированными параметрами и белым шумом; мl ? коэффициент передачи в l ветви,

Известно, что вероятность символьной (битовой) ошибки при когерентном приеме в канале с детерминированными параметрами и АБГШ может быть представлена в виде [6]

(3)

где бk = 2gk.

Из (2) с учетом (3) следует, что для расчета полной вероятности ошибки в канале связи с разнесением необходимо вычислить интеграл

(4а)

Преобразовав формулу (4а) с учетом (1), получим выражение, по своей структуре похожее на H-функцию [6]:

(4б)

где и

Если при разнесенном приеме каналы связи однородные, т. е. статические параметры одинаковы: тогда и

где [6]

н ? 0, 0 ? b2 ? 1, з ? 0. (5)

При проведении численных расчетов (5) можно записать в виде

Полученные соотношения могут быть использованы для произвольных многомерных многопозиционных сигнальных конструкций, однако в дальнейшем ограничимся численными расчетами вероятности ошибки при передаче двумерных многопозиционных сигналов ФМ-М (фазовая модуляция) и КАМ-М (квадратурная амплитудная модуляция), широко применяемых в современных телекоммуникационных стандартах. Для других сигнальных конструкций расчеты могут быть проведены по формулам вероятностей ошибок [6].

Заключение

Использованием пространственного разнесенного приема и поляризационного разнесенного приема всегда дает выигрыш по помехоустойчивости. При использовании временного (частотного, когда информация на каждой частоте излучается своим передатчиком) разнесенного приема с увеличением количества ветвей разнесения для фиксированной мощности сигнала величина вероятности ошибки стремится к значению вероятности ошибки в канале с аддитивным белым гауссовским шумом. При частотном разнесенном приеме, реализованном на одном передатчике, с увеличение количества ветвей разнесения значение вероятности ошибки в канале связи уменьшается до определенного минимального значения. При дальнейшем увеличении количества ветвей разнесения качество связи ухудшается. Поэтому в зависимости от вида разнесенного приема можно выбрать оптимальное (при частотном, реализованном на одном передатчике) или рациональное (временное) количество ветвей разнесения по критерию минимума вероятности ошибки.

При пространственном разнесенном приеме выбор количества ветвей может производиться в зависимости от тех требований, которые предъявляются к системе связи.

Литература

1. Игнатов В. В., Сахнин А. А. Развед- и помехозащищённость систем и средств военной связи. - СПб.: ВУС, 2001. - 212 c.

2. Андронов И. С., Финк Л. М. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. -- М.: Сов. радио, 1971. -- 408 с.

3. Кловский Д. Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. -- М.: Радио и связь, 1982. -- 362 с.

4. Бураченко Д. Л., Савищенко Н. В. Геометрические модели сигнально-кодовых конструкций. -- СПб.: Военная академия связи, 2012. -- 388 с.

5. Simon K., Alouini M.-S. Digital Communication over Fading Channels: A Unified Approach to Performance Analysis. -- N. Y.: John Wiley&Sons, 2000. -- 544 p.

6. Савищенко Н. В. Специальные интегральные функции, применяемые в теории связи: монография. -- СПб.: Военная академия связи, 2012. -- 560 с.

References

1. Ignatov V. V, Sahin A. A. Intelligence and noise immunity of systems and means of military communication. SpB.: VAS, 2001. - 212 p.

2. Andronov I. C., Fink L. M. Transmission of discrete messages on parallel channels. -- Moscow.: Soviet radio, 1971. -- 408 с.

3. Klovskiy D. D. Transmission of discrete messages on radio channels. -- Moscow.: Radio and communication, 1982. -- 362 с.

4. Byrachenko D. L., Savishchenko N. V. A geometric model of signal-code structures. - SpB.: VAS, 2012. - 338 p.

5. Simon K., Alouini M.-S. Digital Communication over Fading Channels: A Unified Approach to Performance Analysis. -- N. Y.: John Wiley&Sons, 2000. -- 544 p.

6. Savishchenko N. V. Special integral functions applied in the theory of connection - monograph - SpB.: VAS, 2012. - 560 p.

Размещено на Allbest.ru