Файл: Хмельницкий Е.А. Разнесённый приём и оценка его эффективности.pdf

ПРЕДИСЛОВИЕ

На коротковолновых линиях магистральной радиосвязи уже около тридцати лет применяется способ разнесённого приёма как весьма эффективное средство борьбы с замираниями. Этот

способ был разработан на основе многочисленных эксперимен­ тов и многолетней практики, так как до последних лет не было работ, которые давали бы количественную оценку устойчивости коротковолновых каналов связи и различных способов повы­ шения надёжности их работы и в том числе количественной оценки эффективности разнесённого приёма.

Работы последних лет в области статистической математи­ ки, теории вероятности, импульсной радиотехники и в других областях позволили значительно продвинуть решение этой за­ дачи.

В настоящей лекции делается попытка систематизировать часть работ, посвящённых вопросам устойчивости коротковол­ новых каналов связи, ввести критерий оценки качества работы связи и произвести оценку эффективности различных способов, направленных на повышение устойчивости работы.

Лекция представит интерес как для инженерно-технических работников эксплуатационных предприятий радиосвязи, так и

для работников научно-исследовательских и учебных институ­ тов, а также для студентов, специализирующихся в этой об­ ласти.

Замечания по данной лекции следует направлять в Связьиздат (Москва-центр, Чистопрудный бульвар, 2).

Техническое управление Министерства связи СССР

2—598

ВВЕДЕНИЕ

Количественная оценка устойчивости коротковолновых ка­ налов связи при замираниях уровня сигнала и особенно при

разнесённом приёме связана с рядом трудностей, характер ко­ торых будет ясен из последующего изложения. Здесь заметим

только, что до последнего времени использование разнесённо­

го приёма (приём на разнесённые антенны, передача и приём одной программы в каналах, разнесённых по частоте, и т. д.) ба­ зировалось главным образом на экспериментах. Поэтому оцен­ ка преимуществ одних инженерных решений перед другими тре­ бовала длительной эксплуатационной проверки. Между тем, такой проверки можно было избежать, а инженерные решения принимать более уверенно, если бы была разработана методи­ ка количественной оценки устойчивости радиосвязи.

В решении задачи количественной оценки устойчивости

приёма сигналов, подверженных замираниям, можно усмот­ реть два этапа. На первом этапе экспериментально устанавли­ ваются закономерности изменения параметров сигналов при за­ мираниях, а затем при использовании полученных закономер­

ностей для каждого рода работы и определённого вида помех

расчётным путём определяется устойчивость при простом оди­ нарном приёме и при приёме на разнесённые антенны. Таким образом, задача определения устойчивости канала связи раз­ деляется на две — экспериментальную и расчётную.

Первые успешные шаги в направлении количественной оцен­ ки устойчивости коротковолновых связей были сделаны в 1936 г. в работах В. А. Котельникова и Н. Н. Шумской. В этих работах показано, что количественную оценку устойчивости приёма сиг­ налов, подверженных замираниям, надо производить статисти­ ческими методами. Благодаря работам последних лет (особен­ но в области импульсной радиотехники и статистической мате­ матики) удалось значительно продвинуть экспериментальную и расчётную части задачи оценки устойчивости. С помощью но­

вой аппаратуры проведены эксперименты по оценке особен­ ностей распространения радиоволн на некоторых линиях связи,

а также разработаны математические методы расчёта. Всё это дало возможность перейти к количественной оценке устойчи­ вости коротковолновых линий связи с учётом специфики раз­

несённого приёма.

4

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРОТКИХ РАДИОВОЛН

1. Замирание уровней сигналов и случайные величины запаздывания

Физические явления, имеющие место при распространении

коротких радиоволн на магистралях большой протяжённости, настолько сложны, что для количественной оценки тех измене­ ний, которые претерпевают радиосигналы, прибегают к ряду упрощений. В соответствии с характером этих упрощений строят­

ся модели механизма распространения, отображающие в боль­ шей или мёньшей мере конкретные условия. Рассмотрим неко­

торые модели.

Считают, что излучённый сигнал распространяется от пере­

дающего к приёмному устройству подобно световому лучу, от­ ражаясь от ионосферы (однократное отражение) или от ионо­ сферы и от поверхности Земли (многократное отражение). Даже

в случае однолучевого распространения следует учитывать, что сигнал в месте приёма является суммой отдельных сигналов,

пришедших по мало различающимся самостоятельным траек­ ториям, а этого малого различия в траекториях достаточно для того, чтобы в месте приёма из-за интерференции происходили замирания уровня принимаемого сигнала.

На магистральных линиях связи часто встречаются такие условия распространения радиоволн, при которых в место приё­ ма приходят несколько лучей. Например, отражение может про­ исходить от ионосферных слоёв с различной высотой. При этом лучи приходят в место приёма по сильно отличающимся траек­ ториям. В такой более сложной модели распространения при

передаче отдельных импульсов можно обнаружить новую осо­ бенность распространения радиоволн. В зависимости от числа лучей для данных условий распространения на магистрали каждому переданному импульсу будет соответствовать не­ сколько принятых импульсов. Это может приводить к значи­ тельному искажению передаваемых сообщений.

Величина запаздывания сигнала одного луча относительно

другого была определена на некоторых магистралях экспери­ ментально.

6

Искажения сигналов, имеющие место на реальных линиях

связи, дают основания полагать, что для хорошего отображе­ ния действительного явления необходима ещё более сложная модель распространения радиоволн. Высоты отражающих слоёв,

чей также непрерывно изменяется по случайному закону. По­ скольку условия распространения зависят от частоты, то прш

передаче сложных сигналов, спектр которых состоит из боль­ шого числа частот, создаются благоприятные условия для изби­ рательных замираний сравнительно близких частот.

Реальные условия распространения радиоволн лучшим об­

простая модель достаточно хорошо отображает реальные усло­ вия. К такой упрощённой модели распространения приходится прибегать ещё потому, что анализ устойчивости, одновременно учитывающий замирания уровней сигналов и переменные ве­ личины запаздывания, сложен. Поэтому принято делить зада­ чу определения устойчивости на части. В одном случае опреде­ ляется устойчивость сигналов, уровень которых подвержен за­

мираниям, при этом учитывается влияние помех, в другом слу­

чае определяется устойчивость сигналов под влиянием случай­

ных изменений запаздывания, при этом обычно не учитывается

влияние помех. В этой работе будут рассмотрены главным об­ разом вопросы, связанные с устойчивостью сигналов, уровень которых подвержен замираниям, и учтено влияние помех.

2. Особенности распространения, которые необходимо учитывать при разнесённом приёме

Кроме случайных изменений уровня сигнала и величины запаздывания сигнала, на трассе между передающим и приём­ ным устройствами при разнесённом приёме необходимо иметь в виду особенности распространения коротких радиоволн, ха­ рактерные только для разнесённого приёма и различные при

разных способах осуществления разнесённого приёма. Напри­

мер, для оценки пространственного и поляризационного разно­ са, надо знать, насколько независимо изменяются уровни сиг­ налов на выходе антенн, одновременно работающих для обес­ печения одного канала связи разнесённого приёма. В случае частотного разноса необходимо знать степень независимости сигналов в каждом из разнесённых по частоте каналов. При временном разносе (передаче сигналов с повторением через определённый интервал времени) важно определить тот интер­ вал времени, через который нужно произвести повторение с тем,

7

чтобы сообщения, не принятые из-за уменьшения уровня сиг­ нала, после повторения не пришлись бы на один и тот же про­ вал в уровне сигнала.

Таким образом, для определения качества работы коротко­ волновой линии радиосвязи с учётом особенностей разнесённо­ го приёма необходимо дать количественную оценку таким яв­

лениям, как степень одновременности изменений уровня сигна­ ла при замираниях на выходе пространственно разнесённых антенн, степень одновременности замираний уровней сигналов, переданных на смежных частотах, и т. д. В дальнейшем будут изложены те методы, которые используются для количествен­ ной характеристики этих явлений.

3. Некоторые особенности помех на коротковолновых линиях радиосвязи

Приступая к количественной оценке качества канала ра­

диосвязи, следует иметь в виду некоторые особенности помех.

Коротковолновые линии радиосвязи страдают главным об­

разом от атмосферных помех и от помех со стороны других радиостанций. Это — известная классификация помех по харак­ теру их возникновения.

. Что касается характера воздействия помех на канал связи,

то различают помехи флуктуационные, импульсные и непре­ рывные (в виде несущей). Практика показывает, что на корот­

ких волнах приходится встречаться с помехами разного ха­ рактера.

Для выяснения характера воздействия помех на коротко­ волновый канал связи следует рассмотреть ряд случаев ис­

пользования этого канала.

• Средняя частота возникновения отдельных импульсов при атмосферных помехах изменяется в широких пределах, а эквива­ лентная полоса пропускания приёмного устройства в зависи­ мости от назначения канала связи также изменяется от сотни до

нескольких тысяч герц, поэтому атмосферная помеха может воздействовать как импульсная на приёмники с относительно широкой полосой и как флуктуационная на относительно узко­ полосные приёмники.

Помеха соседней по частоте станции, передачи которой носят характер телеграфных посылок, при расположении этого кана­ ла помехи за полосой пропускания используемого канала мо­ жет быть импульсного характера. Помехи от телефонных пере­

датчиков чаще всего проявляются как непрерывные помехи. Кроме указанных особенностей помех, следует ещё учиты­

вать особенность, связанную с разнесённым приёмом, а именно:

степень взаимосвязи (корреляции) между мгновенными значе­

ниями уровня помех, например, на выходе разнесённых антенн. Мгновенные значения уровня помех при разнесённом приёме,

8

очевидно, слабо коррелированы в случае помех соседних по ча­ стоте станций. Это косвенно подтверждается измерениями вза­ имосвязи при разнесённом приёме для полезных сигналов. Что касается атмосферных помех, источником которых не являются местные грозы, то надо полагать, что взаимосвязь между мгно­ венными значениями уровня помехи при разнесённом приёме также будет слабой, однако экспериментальных данных такого характера в настоящее время нет.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

КОРОТКИХ РАДИОВОЛН

1. Замирание уровня сигнала

Для количественной оценки изменений уровней коротковол­

новых сигналов приходится пользоваться статистическими ме­ тодами. Обычно замирание уровня сигнала характеризуется

графиком, на оси ординат которого отложен процент того вре­ мени, когда уровень находится^ ниже заданной величины, а по оси абсцисс — эта заданная величина сигнала. Кроме того, для характеристики скорости изменения уровня при замирании даётся среднее количество спаданий уровня ниже допустимого значения в единицу времени (одну минуту).

Рисунок 1 приведён с целью иллюстрации методики опреде­ ления по экспериментальным данным процента времени, в те­

чение которого случайная величина находится ниже допусти­ мого порогового значения. Подсчёт этого процента времени (Ва ) производится по формуле

(смысл обозначений к ф-ле (1) ясен из рис. 1).

На рис. 1 показано, что время, в течение которого случайная величина находится ниже порогового значения, и время, в те­ чение которого случайная величина находится выше порогового

значения, в сумме образуют весь интервал времени, в течение

которого производилось измерение. Поэтому, если определена одна величина процента времени, то становится известной дру­ гая.

Получение точек для графика зависимости процента време­ ни, в течение которого уровень случайной величины лежит выше порогового значения, может быть автоматизировано с помощью

устройства, блок-схема которого приведена на рис. 2. Устройство состоит из системы одинарного и разнесённого

приёма, причём выбор сигнала с большим уровнем при разне­

9