книги из ГПНТБ / Шумоподобные сигналы в системах передачи информации

ШУМОПОДОБНЫЕ СИГНАЛЫ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Под редакцией В. Б. Пестрякова

М о с к в а « С о в е т с к о е р а д и о » 1 9 7 3

Г л а в а п е р в а я

ШУМОПОДОБНЫЕ СИГНАЛЫ И СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

1.1. Некоторые вопросы развития систем пере­ дачи информации

Системы передачи информации являются одним из основ­ ных видов радиотехнических систем и быстро развиваются во многих отношениях. Увеличиваются расстояния, на которых должна произ­ водиться передача сообщений. Увеличивается поток информации и ско­ рость ее передачи. Характер сообщений приобретает все большее раз­ нообразие, изменяются и повышаются требования к точности и досто­ верности передачи. Вместе с тем возрастают требования к весу, габа­ ритам, надежности и стоимости аппаратуры, простоте ее использо­ вания и обслуживания. К системам предъявляются все более жесткие требования по обеспечению их работы в условиях сложных внешних воздействий, а также естественных и преднамеренных помех и помех от других радиотехнических систем, работающих на близких, частотах или в общем участке диапазона частот.

Все это делает необходимым не только совершенствование сущест­ вующих и традиционных систем передачи информации, но и развитие и исследование новых видов систем, новых принципов их построения [1.1 —1.7].

Большое значение в совершенствовании систем передачи инфор­ мации имеют исследования, связанные с использованием новых видов сигналов, получивших названия: сложных, широкополосных, много­ мерных и шумоподобных.

Свойства, присущие этим сигналам, в том числе и шумоподобным (ШПС), делают их перспективными также и при решении некоторых проблем в системах передачи информации, в первую очередь для обес­ печения работы системы «под помехами», повышения устойчивости к организованным помехам, обеспечения передачи информации с ма­ лой скоростью в одном широкополосном канале с мощными сигналами, обеспечения разделения сигналов по форме при их работе в общем участке диапазона частот и при наличии интенсивных флюктуационных помех и т. п. Шумоподобные сигналы могут быть использованы при построении непрерывных (например, с частотной модуляцией), им­ пульсных (например, с время-импульсной модуляцией) и дискретных (например, с кодо-импульсной модуляцией) систем передачи инфор­ мации.

Однако наибольшие возможности дает использование ШПС в ди­ скретных системах.

4

Давая большие новые возможности совершенствования систем передачи информации, шумоподобные сигналы имеют много специфи­ ческих особенностей и свойств, без изучения которых невозможно пра­ вильно оценивать перспективы их применения в системах передачи информации и решать вопросы о построении аппаратуры, методах фор­ мирования и приема этих сигналов. По общим вопросам и теории этих сигналов уже имеется обширная литература, например [1.7—1.10, 1.13—1.15]. Однако в настоящее время назрела необходимость систе­ матического изложения не только теоретических вопросов и общих свойств этих сигналов, но также инженерных проблем, связанных с по­ строением аппаратуры и рассмотрением процессов в схемах приема таких сигналов. Этим вопросам и посвящена предлагаемая вниманию читателей книга.

1.2. Предварительные соображения о некоторых особенностях шумоподобных сигналов

В дискретных системах передачи информации сообщение имеет вид случайной последовательности информационных символов сщ, которые преобразуются в первичные сигналы ut (t) и затем в передат­

ную информацию и распространяться по линии связи. Понятие сигна­ ла в общем случае сложное и многообразное. В данной книге считаем удобным пользоваться таким определением сигнала, которое целе­ сообразно для дискретных систем передачи информации, использую­ щих сложные сигналы. В дальнейшем под сигналом st (t) будем по­ нимать функцию времени, отображающую физический процесс, имею­ щий конечную длительность Ts и соответствующий символу сообще­ ния сц или отображающий этот символ. Очевидно, что Ts вместе с ал­ фавитом сигналов ps будет определять скорость передачи информации.

Дискретное сообщение имеет характер случайной последователь­ ности символов сообщения и отображается в случайной последователь­ ности различимых сигналов sCJ1 п о о л (t).

Сигналы, у которых база Ë s , равная произведению длительности сигнала Ts на ширину его спектра, близка к единице, в дальнейшем бу­ дем называть «простыми» или «обыкновенными». Различение таких сиг­ налов может быть осуществлено по частоте, времени (задержке)и фазе.

Сложные, многомерные, шумоподобные сигналы формируются по сложному закону. За время длительности сигнала Ts он подвергается дополнительной манипуляции (или модуляции) по частоте или фазе. Дополнительная модуляция или манипуляция по амплитуде исполь­ зуется редко. За счет дополнительной манипуляции (модуляции) спектр сигнала Д/„ (при сохранении его длительности Г5 ) расширяется. Следовательно, для такого сигнала

B s = TsAfs » 1.

5

При некоторых законах формирования сложного сигнала его спектр оказывается сплошным и практически равномерным, т. е. близ­ ким к спектру шума с ограниченной шириной полосы. При этом функ­ ция автокорреляции сигнала имеет один основной выброс, ширина которого определяется не длительностью сигнала, а шириной его спектра, т. е. имеет вид, аналогичный функции автокорреляции шума с ограниченной полосой частот. В связи с этим такие сложные сигналы будем называть шумоподобными.

Во многих случаях удобно рассматривать ШПС состоящим из некоторого количества «элементов» sa (t), каждый из которых может

Но номер элемента также является символом, поэтому последо­ вательность символов, описывающих закон формирования і-го сигнала можно представить как определенную і-ю последовательность номеров

где d 6 1, рэ, т. е. может принимать вид одного из рэ символов — номе­ ров элементов в алфавите элементов.

В частном простейшем случае, когда объем алфавита элементов равен двум, для описания ШПС достаточно дать двоичный код сигнала, имеющий вид последовательности двух символов. В качестве таких символов могут быть приняты, например, + и —.

В качестве символов последовательности, образующей сигнал, можно использовать номер элемента в алфавите. При двоичном алфа­ вите получим d 6 1, 2. Тогда код формирования тех же і-го и k-то сиг­ налов примет вид:

dt-* 222212122112111; dh-> 121122111212221.

Однако обычно удобнее осуществлять нумерацию элементов в ал­ фавите, начиная с нуля, т. е. d ->• О, 1. При этом во многих случаях оказывается возможным упростить оперирование с кодами и исполь­ зовать правила оперирования, широко развитые в вычислительной математике, теории чисел и математическом обеспечении ЦВМ.

Для некоторых сигналов, например двоичных фазоманипулированных, при исследовании их функций авто- и взаимокорреляции удоб­ но использовать символику кода, отображающую в какой-то степени физический смысл этого сигнала (особенно в его видеочастотном ва­ рианте), используя символы + 1 и — 1 .

В книге для удобства будет использоваться различная символика для описания кодов.

6

Г л а в а в т о р а я

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРИЕМА ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ

2. 1. Модели радиосигналов и помех

2.1.1. Прием ШПС

Теория приема ШПС должна охватывать три режима ра­ боты системы передачи информации: определение факта функциони­ рования, поиск (синхронизация), передача полезной информации.

Режим определения факта функционирования в основном харак­ терен для действий другой стороны в условиях, когда закон форми­ рования сигнала неизвестен. При поиске закон формирования сигнала известен и определяется, в каком из участков спектра частот дейст­ вует система и в какие моменты времени начинается или кончается полезный сигнал в точке приема. При этом решается также вопрос о том, действует ли система. В системах с ШПС в силу специфики их свойств режим поиска обязателен. После окончания поиска и осуществ­ ления синхронизации в системе начинается прием полезной информа­ ции.

В режиме передачи информации основное применение получили системы с активной паузой. Если используется двоичное кодирова­

вание, т. е. имеется р 7 символов в алфавите, то должны использовать­

называют системами с пассивной паузой. В системах радиосвязи они используются редко.

Прием сигнала всегда сопровождается помехами. В системах с ак­ тивной паузой нужно при наличии помех осуществить распознавание различимых ненулевых радиосигналов, в системах с пассивной пау­ зой— обнаружение сигнала.

Важность режима обнаружения в радиосвязи обусловливается тем, что к обнаружению сводится задача поиска по частоте и времени, о которой было сказано выше и решение которой имеет особенно боль­ шое значение в системах радиосвязи, использующих ШПС. Задача обнаружения решается также и в случае, когда другая сторона опре­ деляет факт функционирования системы радиосвязи.- Важно решить задачу обеспечения оптимального приема, т. е. распознавания и обна­ ружения радиосигналов.

8

осуществлением оптимальной обработки должен быть подвергнут уси­ лению и предварительной селекции. В этой главе будем полагать, что имеется идеальный линейный усилитель, который обеспечивает тре­ бующийся уровень сигнала.

В этой главе будем предполагать, что принятые меры обеспечи­ вают такие условия, когда все возможные помехи не выходят за пре­ делы линейных участков характеристик устройств, но в то же время каскады предварительной селекции не вызывают изменений и иска­ жений сигналов и помех (в той части, которая совпадает со спектром

мальной обработки. Исследование и расчет каскадов предваритель­ ного усиления и селекции подробно освещены в литературе и на этом останавливаться не будем. Влияние искажений, которым может под­ вергаться сигнал в этих каскадах, рассмотрено в гл. 8. Во многих слу­ чаях в составе блоков предварительного усиления и селекции должны находиться каскады, обеспечивающие фиксацию или стабилизацию уровня сигнала или помех, подаваемых на схему оптимальной обработ­ ки, например АРУ или ограничители. Работа этих каскадов в условиях приема ШПС имеет существенные особенности, и они (каскады) оказы­ вают существенное влияние на работу приемного устройства. Это влияние будет учитываться в настоящей главе и рассмотрено в гл. 6 и 8.

2.1.2. Модели радиосигналов

Дискретный радиосигнал s£ (t) можно записать в следующем об­ щем виде (индекс і в тех случаях, когда он не требуется, будем опу­ скать):

9