книги / Методы борьбы с помехами в каналах проводной связи
..pdfшения уменьшились до значений 1,4 и 1 соответственно. Следова тельно, результаты эксперимента хорошо согласуются с расчет ными.
Сравнение двух способов регистрации импульсных помех в ре альных условиях работы проводилось следующим образом. На вы ходе канала ТЧ, по которому передавалась информация в виде псевдослучайной последовательности двоичных чисел с помощью аппаратуры передачи данных, использующей ОФМ и скорость 1200 Бод, включались два устройства, одно из которых осуществ ляло регистрацию импульсных помех по огибающей, другое — с помощью контрольного фильтра Д-700. Первое устройство на страивалось на порог регистрации, равный 2Uc, второе — на по рог регистрации, равный Uc. Выходы этих устройств были связа ны с многоканальным самописцем, на котором отмечался факт ре гистрации устройством импульсной помехи. Кроме того, самопис цем отмечались моменты сбоя в передаваемой информации и на личие перерывов в канале ТЧ, которые регистрировались устрой ством, включенным на входе приемника аппаратуры передачи данных. Общая продолжительность измерений составила около 150 ч.
Измерения показали, что с помощью устройства, реализующего первый способ, в 40% случаев причины ошибок не были установ лены. В случае применения устройства с контрольным фильтром были обнаружены все причины возникновения ошибок. При этом общее число зарегистрированных пачек помех составило более 1000. Эксперимент показал, что обнаруживающие свойства пер вого устройства значительно снижаются при действии одиночных импульсных помех. Порог регистрации Uc=iUn для устройства, ис пользующего контрольный фильтр, не является во всех случаях оптимальным. Это связано с тем, что на каналах большой протя женности из-за значительных фазовых искажений ошибки могут возникать вследствие действия импульсных помех, составляющих 0,5£/с, и при пороге Uc= Un возможны случаи необнаружения при чин ошибок.
В процессе измерений обнаружилось еще одно интересное свой ство устройства, использующего контрольный фильтр. При повы шении уровня шума в канале ТЧ до значений — (26—30) дБ в точке 4,34 дБ устройство начинает регистрировать большое коли чество «импульсных помех». Поэтому в процессе измерений эти случаи уверенно определялись.
Для определения возможности контроля уровня шумов в кана ле ТЧ в процессе передачи двоичной информации был поставлен следующий эксперимент. На вход канала параллельно подклю чался источник шума. По каналу работала аппаратура передачи данных с ОФМ и скоростью 1200 Бод. В качестве источника ин формации был использован рекуррентный датчик псевдослучайной последовательности двоичных символов. Источником шума являл ся канал ТЧ, свободный от передачи информации, который вклю чался на вход регулируемого усилителя низкой частоты. Выход
191
усилителя через развязывающее устройство был подключен ко вхо ду исследуемого канала (точка —13 дБ). В точку выхода канала 4,34 дБ (вход приемника аппаратуры передачи данных) высоко омным входом включался усилитель, на выход которого через кон трольный фильтр Д-700 включался указатель уровня. При изме нении уровня шума в канале проводились наблюдения за измене нием показаний указателя уровня.
Эксперимент показал, что в большом диапазоне изменения уровня шума происходит пропорциональное изменение показаний указателя уровня, т. е. представляется возможной :не только ка чественная оценка состояния капала, но и количественная.
На рис. 8.24а приведены результаты эксперимента: зависимо сти показаний указателя уровня от разности Р с—Рп Для случаев
Рис. 8.24. Зависимость уровня шума на. выходе контрольного фильтра от разницы Uc—Un в канале связи для случаев передачи: а) ФМ сигнала; б) 4iM сигнала
применения в качестве контрольных фильтров Д-.500, Д-700 и Д-900. Уровень сигнала в измеряемой точке составлял — 1,4 дБ. На графике обозначены три зоны, соответствующие нормальной работе аппаратуры, появлению краевых искажений и появлению сбоев.
Эти зависимости показывают, что представляется возможным в процессе передачи информации проводить измерения уровня шу мов, действие которых приводит к снижению помехоустойчивости и качества передаваемой информации.
192
На рис. 8.246 представлены результаты аналогичных измере ний, проведенных -с аппаратурой передачи данных, использующей частотную модуляцию.
Эксперимент показал, что эффективность контроля канала и качество -проведения исследовательских работ значительно повы шаются при применении способа регистрации импульсных помех с помощью контрольного фильтра. Кроме того, данный способ мо жет быть применен при контроле шумов в канале, занятом пере дачей двоичной информации.
8.4.Способ повышения помехозащищенности каналов ПД
спомощью предыскажения частотных характеристик группового времени замедления
Значительный интерес представляет способ повышения поме хозащищенности каналов передачи данных в условиях действия импульсных помех и перерывов, -который заключается в .преды скажении частотных характеристик канала на передаче с после дующим их восстановлением на приеме.
•Рассмотрим этот метод на примере предыскажений частотной характеристики группового времени замедления в каналах ТЧ. Подобные методы используются, например, в радиолокации для повышения дальности действия и разрешающей способности ра диолокационных станций [11]. Структурная схема системы -пере дачи данных с использованием этого метода приведена на рис. 8.25.
Рис. 8.25. Структурная схема СПД с использованием ЧЗЛЗ
На передающем конце между устройствами преобразования сигналов АПД и выходом канала включается частотнозависимая линия задержки (ЧЗЛЗ-1), имеющая характеристику группового времени замедления, показанную на рис. 8.26 (кривая /). На приемном конце между выходом канала и приемником устройства ■преобразования сигналов включается частотнозависимая линия задержки (ЧЗЛЗ-2), у которой частотная характеристика груп пового времени замедления обратна -первой (рис. 8.26, кривая 2). Вид этих характеристик в зависимости от формы спектров сигна ла и помехи может быть различным, но суммарный эффект от включения ЧЗЛЗ не должен существенно изменять первоначаль ные характеристики тракта передачи. Увеличивается лишь абсо лютное время распространения сигнала (рис. 8.26, кривая 5).
7—279 |
193 |
Неравномерность группового времени замедления в рабочей полосе частот выбирается значительно большей, чем длительность элементарной посылки. Поэтому структура сигнала, проходящего через частотнозав-исимую линию задержки, существенно -меняется. Каждая из посылок как бы растягивается во времени :и тем боль-
Рис. 8.26. Частотные характеристики группового времени за медления:
1 , 2 — реальные характеристики ЧЗЛЗ-1 н ЧЗЛЗ-2; 3 — суммарная харак
теристика ЧЗЛЗ-1 и ЧЗЛЗ-2; 4 , 5 — теоретические характеристики
ЧЗЛЗ-1 и ЧЗЛЗ-2
ше, чем больше неравномерность группового времени замедления. Таким образом, если обычно каждому моменту времени соот ветствует передача энергии лишь одной посылки, то при пере даче в системе с предыскажениями каждому моменту времени со ответствует .передача энергии -нескольких посылок,* поскольку по
следующие посылки как бы накладываются на -предыдущие.
Если в канале происходит перерыв -на время, меньшее, чем время действия одной посылки, то он уменьшит энергию -несколь ких посылок, что лишь исказит форму посылок на выходе прием ника, но не вызовет ошибки. Степень этого искажения, естествен но, зависит от перепада частотной характеристики неравномерно сти группового времени замедления и длительности перерыва.
Аналогично при действии в канале импульсной помехи прием ная ЧЗЛЗ-2, являясь «собирающей» для сигнала, -рассредоточи вает энергию импульсной помехи -во -времени, что уменьшает ее амплитуду, т. е. соотношение мгновенных значений напряжений сигнал/помеха на входе приемника увеличивается.
Рассмотрим устанавливающийся процесс на выходе идеально го канала при действии на его входе импульса, имеющего вид дельта-функции. Математически эта функция может быть запи-
194
|
|
|
|
00 |
сана |
как |
8(t) = — Г cos tofafco [61]. Будем -считать, что идеаль- |
||
|
|
|
|
я J |
|
|
|
|
о |
иый канал имеет следующие частотные характеристики: |
||||
/((© )= 1 ; |
, |
| |
^ ^ |
|
.v\ |
. \ |
|
прис»! <©«щ. |
|
bt{(i)) = b0 + |
(i>t0 \ |
|
Вне этой -полосы, т. е. при со<o>i и о)>©2, /С(со) = 0 . Здесь /С(со) — модуль коэффициента передачи; b (со) — фаза коэффициента пе редачи; tQ— время распространения в канале.
Учитывая частотные характеристики канала, для устанавли вающегося процесса на -выходе этого канала можно записать
U%(t) = |
J |
cos со (t — /0)d со |
|
|
|
|
|
или |
COi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ар Г |
со2 sin © 2(t —10) __ |
в>х sin <ог (it — i0) |
1 |
|
|||
я |
I |
со2(t — 10) |
|
cox(/ — <0) |
|
J * |
|
где U2(t) — временная |
функция -реакции |
ка-нала. Эта |
функция |
||||
имеет максимум при i= tQ, т. е. U2Manc(t) — — |
(®2 —coi) = 2 |
Ло(/г—fi). |
|||||
|
|
|
|
|
Я |
|
|
Теперь рассмотрим устанавливающийся и-роцесс на выходе ка |
|||||||
нала, имеющегоследующие характеристики: |
|
|
|||||
. . . ’ |
|
при |
|
|
|
|
(8.16) |
ot(co) = t0(o -j- к а г ) |
|
|
|
|
|
||
Вне этой «полосы, т. е. пр.и -co<<Oi и со><0 2, |
(со) = 0 . |
|
|||||
Известно, что частотная характеристика группового времени |
|||||||
замедления |
является |
первой |
производной |
от частотно-фазовой |
характеристики. Для канала, -описываемого ф-лой (8.16), частот но-фазовая характеристика имеет вид наклонной прямой и выра
жается |
уравнением т=^о+2 /ссо, где т — время замедления в кана |
ле для |
данной частоты; к — коэффициент, характеризующий на |
клон частотной характеристики -группового 'времени замедления. Коэффициент к может быть выражен через значение максималь
ного и минимального |
времени |
замедления -в канале следующим |
||
образом {14]: |
|
|
|
|
Т цакс Тмин |
А'Е |
|
(8.17) |
|
2 (ша — шх) |
2Д© |
’ |
||
|
||||
где Дт — перепад частотной |
характеристики неравномерности |
группового времени замедления.
Для реакции канала, учитывая его частотные характеристики, имеем
Ut (t) = ^ - Г cos [со (t — t0) ^ к со2] d со
яJ в>|
7* |
195 |
или, прибавляя и вычитая |
из выражения под знаком |
cos, получим |
|
C0S[(“ 1/K - T y l )
© 1
Обозначив |
(©V K |
|
= —- Л |
получим |
|
|
|
||
|
V |
2 у к ) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2см—jt—tp) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
YiK* |
|
|
|
|
|
|
|
"■ ® “ у £=« |
1 |
со5 [ т ^ - ( т т ) > = |
|
|
|||||
|
2MtK—(<—<р) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/Йот |
|
|
|
|
|
|
|
= ^0 fcos л |
f* ~ M 2 fc /2<да к— |
— f0) \ _ с |
П щ к - j t - t o ) |
у "Ь |
|||||
У 2 я к \ |
2 |
\ У 2 я к ] |
_ \ |
У 2/с л |
у |
\ |
У 2 я /с |
/ |
|
+sin -i. |
|
fsp%*-yr_i.n_ s |
/?oiic-£-w оj |
|
где члены, стоящие в квадратных скобках, представляют собой интегралы Френеля. Их максимальные значения равны для Смаке(х) —0,78 и для 5макс(Х) = 0,72, т. е. сумма этих функций не может превышать 1,5. Поскольку разности S(x) и С(х) умножа ются на синус и косинус, которые одновременно не равны едини це, -выражение, заключенное в фигурные скобки, не может быть больше 0,1. Следовательно, максимальное значение напряжения
на выходе канала можно записать как U^(t)макс^ у-А -.2 ,1 .
Согласно |
(8.17) |
Д Т |
и выражение примет вид |
к = t —c— 7 7- |
|||
|
|
4 я (/с — /п ) |
|
^2 (Омане — < |
2,1 |
= 2 ,1 А |
1 Д ^ . |
|
|
2 я Д т |
|
|
/4 я (4/2я —( h h—) i |
|
Найдем отношение максимальных значений -выходных напря жений для рассмотренных каналов:
N > |
2 Л о (/2 — h ) |
у ь . |
Ат. |
|
!,М. У |
|
|||
|
Дт |
|
|
|
Отсюда для |
канала ТЧ с |
шириной полосы 0,3—3,4 кГц при |
перепаде частотной характеристики группового времени замедле ния, равном б -мс, N ^2 ,7 . Таки-м образом, применение 4 3 ЛЗ с Дт=5 -мс позволит уменьшить амплитуду импульсной помехи на входе приемника более чем в 2,7 раза.
Для экспериментальной проверки эффективности способа по вышения -помехозащищенности каналов ПД при действии импульс ных помех и кратковременных .перерывов были рассчитаны и из-
196
готовлены частотнозависимые линии задержки, характеристики ко торых представлены на рис. 8.26. Расчет ЧЗЛЗ производился с помощью шаблонов [45]. Основное внимание уделялось получению суммарной характеристики последовательно включенных ЧЗЛЗ-1 и ЧЗЛ З- 2 с неравномерностью группового времени замедления не более 400 мкс.
Электрическая схема соединения элементов в одном звене ЧЗЛЗ дана на рис. 8.27. Суммарное число звеньев в ЧЗЛЗ- 1 и
Рис. 8. 27. Схема зве |
Рис. 8.28. Осциллограммы импульсных помех на вы |
на ЧЗЛЗ |
ходе канала (а) и на выходе ЧЗЛЗ (б) |
ЧЗЛЗ- 2 равно 24. |
При этом обеспечивается неравномерность в |
полосе частот канала ТЧ, .равная 5 мс. Эти звенья легко реали зуются и требуют наименьшего количества деталей по сравнению с другими схемами. Кроме того, они не вносят амплитудно-частот ных искажений.
Экспериментальная проверка эффективности описываемого ме тода .проводилась в канале ТЧ кабельной магистрали. При испы таниях использовался канал длиной около 4000 км. Двоичная ин формация в виде случайной последовательности импульсов с пе риодом повторения 128 элементов и скоростью 1200 Бод подава лась от датчика текста на вход передатчика устройства преобра зования сигналов аппаратуры передачи данных. Для передачи сигналов использовался способ однократной относительной фазо
вой модуляции. Между выходом передатчика |
и входом канала |
|
(точка — 13 дБ) |
включалась частотнозависимая линия задержки |
|
ЧЗЛЗ-1. |
конце между выходами канала |
(точка 4,34 дБ) |
На приемном |
и входом .приемника устройства преобразования сигналов АПД включалась ЧЗЛЗ- 2 с обратной частотной характеристикой груп пового времени замедления. С выхода .приемника информация по ступала на вход приемника текста, где происходило поэлементное сравнение переданных посылок с принятыми и случаи их несовпа дения подсчитывались счетчиком ошибок. Испытания .проводи лись при наличии в канале искусственно создаваемых импульс ных помех и перерывов. Импульсы помехи от генератора прямо угольных импульсов через полосовой фильтр 0,3—3,4 кГц пода вались на вход канала (точка — 13 дБ). Частота следования по мехи составляла 1 0 Гц. Для имитации перерывов в канале ис пользовался балансный модулятор, который управлялся прямо
8°—279 |
197 |
угольными импульсами от генератора. Длительность перерыва оп ределялась длительностью модулирующего импульса. Частота сле дования перерывов составляла 10 Гц.
На рис. 8.28 приведены осциллограммы помехи на входе ЧЗЛЗ-2 (рис. 8.28а) и выходе ЧЗЛЗ-2 (рис. 8.28б). Как показали испытания, при включенных ЧЗЛЗ сбои начинают появляться при соотношении UnIUct t 2, тогда как при отсутствии ЧЗЛЗ они по являются при соотношении t/n/£^c»0,7. Измерения показали так же, что ошибки в передаваемой информации начинают появлять ся только при длительности перерыва, превышающей 2,4 мс в случае применения ЧЗЛЗ. При выключенных ЧЗЛЗ ошибки на чинают появляться при длительности перерыва более 0,4 мс, т. е. от применения ЧЗЛЗ в условиях действия одиночных импульсных помех и кратковременных перерывов следует ожидать значитель ного эффекта.
Для оценки эффективности применения этого способа в реаль ных условиях были проведены сравнительные испытания одного и того же типа аппаратуры передачи данных, но с применением ЧЗЛЗ и без «их. Как было показано в § 3.1 и 4.1, импульсные помехи и перерывы в каналах ТЧ одной системы передачи корре лированны, т. е. в момент действия, например, импульсной помехи в одном канале она с большой вероятностью будет зарегистриро вана и в соседних. Это свойство было использовано' при организа ции испытаний.
-По двум каналам одной группы системы К-60 производилась передача двоичной информации. Была использована аппаратура передачи данных с АЗО, относительной фазовой модуляцией и скоростью передачи 1200 Бод. Качественные показатели каналов ТЧ были примерно одинаковые. По каналам передавалась ин формация в виде псевдослучайной последовательности двоичных символов. Один канал передачи данных работал с ЧЗЛЗ, вто рой — без них.
Б процессе измерений на ленте самописца отмечались следую щие параметры: моменты возникновения помех в каждом из ка налов (регистрация производилась с помощью контрольного филь тра), моменты возникновения перерывов в каждом из каналов, моменты появления «запросов» в каждом из каналов и метки вре мени. Общее время измерения составило около 100 ч. В процессе обработки результатов измерений «е .принимались во внимание •случаи, когда помехи возникали лишь в одном из. каналов.
Измерения показали, что число пачек запросов в системе с применением ЧЗЛЗ на 30% меньше, чем в системе без ЧЗЛЗ, правда, при действии плотных пачек импульсных помех и пере рывов в системе с ЧЗЛЗ происходит некоторое увеличение числа запросов в пачке, однако это увеличение незначительно.
Достоинствами описываемого метода являются:
—достаточно простая реализация ЧЗЛЗ;
—отсутствие необходимости в каких-либо переделках аппа
ратуры передачи данных;
198
—отсутствие .влияния на эффективную скорость -передачи;
—возможность применения .для аппаратуры передачи данных, работающей с любым видом модуляции и при любой -стрости.
Вэтом параграфе описаны вопросы лишь первого этапа рабо ты. Вопросы, связанные с последующими этапами, находятся в стадии решения. К ним относятся, прежде всего, вопрос увеличе
ния значения перепада группового времени замедления ЧЗЛЗ, поиски новых элементов для реализации ЧЗЛЗ, выбор оптималь ной характеристики группового времени замедления и принципов построения ЧЗЛЗ.
8.5. Оценка качества каналов связи, предназначенных для передачи данных
-Одним из основных показателей качества канала связи, с точ ки зрения его пригодности для передачи двоичной информации, является достоверность. Для оценки каналов связи по этому пара метру существует целый ряд .приборов, которые позволяют произ водить подсчет числа ошибок, возникших за время измерения. Эти приборы содержат датчик псевдослучайной последовательно сти двоичных символов, модем, датчик эталонной последователь ности двоичных символов, аналогичный первому, схему сравнения принятой последовательности с эталонной и схему регистрации несовпадений (ошибок). Подобная оценка позволяет лишь уста новить степень пригодности канала для передачи двоичной инфор мации, но не позволяет выявлять причины снижения качества пе редачи. Для выявления причин необходимо провести целый ряд дополнительных из мерений.
Поэтому представляет интерес способ комплексной оценки ка чества канала, который основан на том, что измеряются парамет ры основных причин, вызывающих ошибки — импульсных помех и перерывов,— и по интенсивности их действия делается заключе ние об ожидаемом качестве канала по достоверности.
Рассмотрим этот способ на одном из примеров его реализации. Исходя из поставленной задачи, прибор должен иметь три основ ных блока: регистрации импульсных помех, анализа и индикации результатов. Задачей блока регистрации является выявление мо ментов появления импульсных -помех и перерывов, а также оценка их параметров. В зависимости от условий работы лрибо-ра, т. е. предназначен ли он для работы в занятом канале или в канале, свободном от передачи, структура регистрирующего блока или его параметры должны изменяться. Рассмотрим работу прибора в -свободном канале.
Задачей блока анализа является пересчет полученных данных об амплитуде импульсных помех и продолжительности -перерывов в величину коэффициента ошибок. В гл. 3 и 4 была показана принципиальная возможность такого .пересчета.
Перерывы регистрируют на урозне, который на 17 дБ ниже но минального уровня передаваемого сигнала. При этом количество
8°* |
199 |
ошибок, вызываемых действием перерыва, определяется его дли тельностью. Вероятность появления ошибки в результате действия импульсной помехи определяется, -прежде -всего, ее амплитудой. Поэтому 'берется несколько порогов анализа амплитуды помехи, нижний из которых устанавливается таким образом, чтобы реги стрировались -помехи с ам-плитудой, 'близкой к амплитуде сигнала в точке измерений. Задачи блока -индикации очевидны..
Рассмотрим структурную схему прибора, изображенного на рис. 8.29. Прибор подключается к каналу, свободному от передачи
Ряс. 8.29. Структурная схема прибора для оценки качества канала
-информации, в который с противоположной -станции подается контрольная частота 1800 Гц, необходимая для -обнаружения пе рерывов. С -выхода канала сигнал поступает -на входное устрой ство (ВУ), .которое делит сигнал на два подканала — для измере ния перерывов и импульсных помех.
Работа подканала для измерения перерывов 'осуществляется следующим образом. Напряжение -на выходе входного устройства ВУ выпрямляется с -помощью детектора Д и подает-ся -на ампли тудный селектор АСп, который срабатывает -при уменьшении уров ня сигнала на 17 дБ и более относительно номинального значения и находится в этом состоянии все время -пребывания сигнала на уровне -ниже порогового. Выход амплитудного селектора -соединен с генератором импульсов ГИ, который включается только на вре мя работы селектора. Как было показано в гл. 4, вероятность по явления -ошибок при действии перерывов составляет -величину, близкую к 0,5. Поэтому частота генератора выби-рается равной по ловине скорости передачи информации. Выход генератора свя зан -со счетчиком импульсов Счп, -подсчитывающим число «оши бок», вызванных действием перерывов за выбранный сеанс .изме рения. Длительность сеанса измерений может выбираться про извольно либо определяется фиксированными значениями, уста навливаемыми с помощью реле времени РВ. В последнем -случае выход счетчика импульсов подается на дешифратор Дшп, осуще ствляющий операцию деления записанного в -счетчике результата -на число сигналов, которое -при заданной скорости передачи и заданном времени измерений было -передано .по каналу. Выход де
200