3.4. Влияние характеристик каналов связи на передачу данных

3.4.1. Физическая сущность влияния характеристик ка­налов связи.

В сетях связи военного назначения в интересах передачи данных широко используются непрерывные каналы - каналы ТЧ и дирокополосные каналы (ШК) систем передачи с частотным раз­делением каналов ((ЧРК)). В этих каналах нормируются следую­щие характеристики:

Указанные характеристики оценивают влияние как устройств формирования канала связи (фильтры, корректоры, усилители, автоматические регуляторы уровней, генераторы), так и внешних помех (собственные шумы, переходные помехи импульсные помехи, кратковременные перерывы сигнала и др.). 

Канал связи можно представить моделью, изображенной на рис.3.31, и раздельно учитывать воздействие каждого влияющего фактора.   

В модели отображены:

- импульсная характеристика канала, связанная с комплексной передаточной функцией канала преобразованием Фурье

где  - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

- фазочастотная характеристика (ФЧХ) непрерывного канала связи.

Заметим, что канал связи считается стационарным, т.е. не изменяющим свои параметры во времени, что при передаче данных вполне реально.

- звено, учитывающее нелинейные искажения сигнала,

- аддитивные шумы гауссова типа, источников которых много и которые практически невозможно подавить;

- мультипликативные помехи, вызывающие изменение передаточной функции канала. В их число входят кратковременные перерывы, возникающие в проводных каналах связи, нелинейные искажения и замирания а радиолиниях;

- аддитивные импульсные помехи;

- аддитивные помехи. Рассмотрим влияние каждой из характеристик.

Влияние АЧХ

АЧХ для каналов ТЧ нормируется в виде, изображенном на рис.3.32,

- остаточное затухание на частоте f ;

- остаточное затухание на частоте 800 Гц;

кривая 1   - для одного переприемного участка;

кривые 2, … n    - для соответственно 2... n  переприемных участков.

Напомним, что остаточное затухание  связано с АЧХ K(w)  соотношением

где - уровень и мощность сигнала на входе канала;

- уровень и мощность сигнала на выходе канала.

Как видно из рис.3.32, АЧХ отличается неравномерность», которая увеличивается с ростом числа переприемов, что приводит как бы к сужению эффективно используемой полосы частот. Ограничение полосы частот и неравномерность АЧХ приводит к тому, что различные частотные составляющие спектра сигналов данных поступают на вход приемника УПС с изменением своих амплитуд. Таким образом искажается форма принимаемого сигнала, что зат­рудняет их правильную регистрацию. Указанное утверждение иллюстрируется следующим примером.

Частотно-ограниченный канал ТЧ можно представить низкочастотным эквивалентом - фильтром низкой частоты (ФНЧ).

Для оценки искажений элемента цифрового сигнала данных (видеосигнала), вызванных ограничением его спектра в канале связи, рассмотрим прохождение сигнала через идеальный ФНЧ.

Пусть на вход идеального ФНЧ, амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная характеристики (ФЧХ) которого имеют вид (рис.3.33):

где t0 - групповое время задержки ФНЧ, в момент t = 0 пода­ется сигнал, имеющий форму ступенчатой функции (рис.3.34)

Эту функцию можно представить как

Для получения сигнала на выходе ФНЧ с характеристиками (3.2) необходимо умножить все компоненты входного сигнала на модуль коэффициента передачи фильтра и вычесть из аргумента синуса сдвиг фаз на каждой из частот

Подставив в это выражение значения АЧХ и ФЧХ, получим

Производя в (3.3) замену переменных , получим

Сигнал на выходе ФНЧ с реальными характеристиками показан на рис.3.35. Видим, что напряжение на выходе ФНЧ не сразу дос­тигает установившегося значения , а после переходного процесса. Поскольку , то при . Следовательно, переходный процесс происходит около момента вре­мени t=t0 . При достижении установившегося значения сигнал не остается постоянным, а имеет затухающие выбросы.

Время нарастания переходного процесса tн определяется из треугольника АВС (предполагая АС касательной к кривой переходного процесса в точке t в t0):

Дифференцируя, получим

т.е. время нарастания в идеальном   ФНЧ обратно пропорционально граничной частоте.
Очевидно, что аналогичные переходные процессы возникают в ФНЧ при приходе заднего значащего момента сигнала, только в этом случае время переходного процесса называется временем спада tcn.  Отсюда можно утверждать, что передача сигналов данных через канал ТЧ, как полосовую систему неизбежно связа­на с "растягиванием" (рассредоточением) их энергии во времени. При этом величина переходных процессов () обратно пропорциональна ширине полосы пропускания канала связи ( ΔF ) При высокой скорости модуляции в канале связи длительность единичного элемента соизмерима с длительностью переходных процессов, что приводит к наложению энергий смежных элементов сигнала, т.е. к межсимвольным искажениям, которые называют межсимвольной интерференцией (МСИ).

Таким образом, ограниченная полоса пропускания непрерывных каналов даже ври идеальных их частотных характеристиках (АЧХ - равномерна и ФЧХ - линейна) ведет к нежелательному ис­кажению формы сигнала данных и к МСИ.

Последствия межсимвольной интерференции можно уяснить с помощью рис.3.36. Здесь логическим состояниям "О" и "I" соответствуют значения амплитуд сигнала длительностью То-0 и И0. Пороговый уровень устройства регистрации U0/2  . Такого рода решающая схема по искаженному сигналу (рис. 3.3б) регенерирует сигнал прямоугольной формы (рис.З.Збв). Длительность принятого сигнала не равна длительности То сигнала переданного. Временные отклонения  представляют собой краевые искажения. Искажение формы сигналов зависит от того, с ка­кой скоростью модуляции  ведется передача сигналов по каналу связи (при постоянной эффективной полосе пропускания канала). 

Рассмотрим требования, которым должна удовлетворять струк­тура сигнала u(t) для передачи по каналу с полосой частот [0,F] исключающие МСИ.

Структура системы передачи дискретного сообщения в основной полосе частот представлена на рис.3.37. Здесь символы подаются на вход формирующего фильтра с частотной характеристикой  G(w) на выходе которого образуется сигнал . Последний проходит через канал с характеристикой  и затем через приемный фильтр  (ПрФ) с характеристикой . В момент  берутся отсчеты u(tl) и сравниваются в решающем устройстве РУ с порогом (u0/2).

Элементарный импульс (единичный элемент) g(t) на выходе этой системы имеет спектр

Очевидно, что в силу ограничения полосы канала спектр   импульса на входе РУ будет ограничен верхней частотой . Для того, чтобы воздействие соседних импуль­сов не проявлялось в момент вынесения решения пТ0 , необходимо как показал Найквист, чтобы форма импульса  удовлетворяла условию отчетности

где  - символ Кронекера. Это условие получило название - первый критерий Найквиста.

С учетом этого в момент  входной сигнал РУ имеет

Первый критерий Найквиста выполняется для импульса, кото­рый только в некоторый момент отсчета имеет отличное от нуля характеристическое значение и нулевые значения во всех остальных отсчетных точках. Подбором характеристики формирующего фильтра при неизменных характеристиках канала связи и приемного фильтра можно добиться выполнения указанного условия.

Неравномерность АЧХ особенно заметно влияет на сигналы с

Влияние ФЧХ

Для каналов ТЧ нормируется групповое время прохождения дТ ГВП в виде, изображенном на рис.3.38.

Неравномерность ГВП Dt определяется разностью;

При увеличении числа переприемных участков неравномер­ность ГВП увеличивается в число раз, равное числу переприемов. Из рис.3.38 видно, что из-за неравномерности ГВП эффективно-используемая полоса частот еще больше сужается, чем из-за неравномерности АЧХ.

Неравномерность ГВП приводит к тому, что различные частотные составляющие спектра передаваемых сигналов получают в кана­ле различные временные задержки и поступают на вход приемника в разные моменты времени.

Временное рассеивание сигнала при прохождении по каналу проявляется в там, что на выходе канала сигнал оказывается деформированным так, что одновременно присутствуют отклики канала на отрезки входного сигнала, относящиеся к довольно отдаленным моментам времени.
В качестве примера рассмотрим передачу данных по каналу. ФЧХ которого приведена на рис.3.39. Здесь  где b - максимальное отклонение ФЧХ от прямой (линейной зависимости), взятое в радианах, n - число полупериодов ФЧХ в полосе пропускания канала связи.

При подаче на вход канала с указанной ФЧХ переднего значащего момента единичного элемента сигнала (рис.3.40) напряжение на выходе канала будет

Таким образом, напряжение на выходе канала связи имеет в качестве первого слагаемого напряжение, обусловленное переходным процессом в канале при отсутствии фазовых искажений (основной сигнал), а второе и третье слагаемые - переходными процессами той же форма, но другой амплитуды напряжения, сдвинутые по оси времени в отношении основного сигнала в сторону опережения (преддействующие мешающие импульсы) и в сторону отставания (импульсы последствия)

Амплитуда мешающих сигналов зависит от величины отклонения ФЧХ от линейной (b/2)  а число их (величина памяти канала) и их расположение определяются числом полупериодов отклонения характеристики (n)

В зависимости от частотных характеристик каналов связи, используемой скорости модуляции в частотно-ограниченном канале ТЧ взаимные влияния могут распространяться на 30-40 единичных элементов и более. Для компенсации такого влияния необходимо существенно усложнять УПС за счет введения корректоров МСИ.

Нелинейность ФЧХ существенно влияет на сигналы с любым видом модуляции и, особенно, на сигналы с ФМ. При скорости передачи 9600 бит/с и более определяющими являются помехи за счет межсимвольной интерференции.

Влияние величины средней мощности модулированного сигнала и шума в канале связи.

В соответствии с нормами мощность шума на выходе стандартного канала ТЧ в точке с нулевым относительный уровнем не дол­жна превышать 10000 пкВт при длине линий связи 2500км, а средняя мощность модулированного сигнала данных в точке с нулевым относительным уровнем не должна превышать 32 мкВт. Ограничение мощности сигнала связано с тем, чтобы исключить перегрузку не столько канала ТЧ, сколько группового тракта системы передачи с ЧРК. Следовательно, помехозащищенность сигнала составляет

Снижение средней мощности модулированного сигнала данных по сравнению с установленной нормой приводит к увеличению вли­яния собственных шумов канала связи.

При повышении мощности выше нормы может произойти перегрузка усилителей и появление нелинейных искажений.

Указанные ограничения определены для всех видов модуляции.

Амплитудная характеристика канала ТЧ и коэффициенты нелинейности влияют на нормирование средней мощности сигнала данных.

Влияние изменения частоты сигнала

Так как генераторное оборудование передающей и приемной части системы передачи не синхронизированы, то на выходе кана­ла ТЧ частота сигнала может отличаться от частоты сигнала, подаваемого на вход канала. В соответствии с существующими нормами максимальный сдвиг частот на одном переприемном участке не должен превышать Гц. Для n переприемных участков изменение частоты определяется величиной .

Наибольшей чувствительностью к изменению частоты обладают сигналы с частотной модуляцией, когда изменение частоты приво­дит к изменению длительности сигнала данных (см.рис.3.9).

Влияние фазового дрожания

В каналах ТЧ имеют место быстрые дрожания фазы (в иност­ранной литературе называют фазовый джиттер) и скачки фазы не­сущего колебания. Они обусловлены недостаточной фильтрацией питающего напряжения и наличием в системах передачи дублирую­щих задающих генераторов, находящихся в "горячем резерве".

Фазовые дрожания имеют характер квазигармонических колебаний    спектр которых сосредоточен около частоты питающего напряжения 50 Гц и ее гармоник.

В соответствии с существующими нормами максимальный размах фазовых дрожаний не должен превышать 15°.

Влияние фазового дрожания сказывается особенно при использовании многопозиционных методов модуляции ОФМ, АФМ и КАМ и мо­тет привести к тому, что нарушится различение сигналов с близ­кими значениями фаз.

Влияние импульсных помех и кратковременных перерывов

Передача данных потребовала нормирования ряда дополнительных  характеристик, которые несущественно сказываются на качестве передачи речевых сигналов, а именно; импульсные помехи, кратковременные перерывы.

Кратковременным перерывом (КП) считают наличие снижения уровня сигнала более 17,4 дВ длительностью не более 300 мс. Рекомендуемая доля КП на одном переприемном участке не должна превышать 1,5-10-5   за 90% часовых отрезков времени.

Нормирование импульсных помех производится путем ограни­чения времени прерывания ими заданных порогов анализа. При этом на одном переприемном участке в точке с относительны уровнем 4,34 дБ (на выходе канала ТЧ) доля времени, в течение которой импульсные шумы превышают 200, 400 и 600 мВ, должна быть не более 5 •10-5; 2 •10-5 и 1-10-5, а для 90% часовых се­ансов измерений - 20*10^-6; 8*10^-6 и 5*10^-6.

Импульсные помехи и КП существенно влияют на сигналы с любым видом модуляции.

3.4.2. Корректирование характеристик каналов связи

При высокоскоростной передаче данных по непрерывным каналам ТЧ основной причиной ошибок следует считать МСИ Причиной МСИ является нелинейность ФЧХ (неравномерность ГВП) канала и ограниченность его полосы пропускания. В радиоканалах причиной МСИ чаще всего является многолучевое распространение ра­диоволн. Конечно, использование сигналов с большой базой поз­воляет в месте приема ликвидировать вредные последствия много­лучевого распространения Однако  такие системы характеризуются низкой эффективностью использования полосы частот канала.

Основным направлением защиты от воздействия МСИ в каналах проводных и радиорелейных линий считается корректирование их частотных характеристик, прежде всего ФЧХ.

Первоначально нашли применение предварительные фазовые корректоры (ПФК), однако  дальнейшее увеличение скорости пере­дачи сигналов потребовало более точной коррекции фЧХ. Решение этой задачи стало возможным вследствие раэработки точных корректоров - корректоров сигналов. Наибольшее распространение получили линейные корректоры сигналов на основе гармонических.

Предварительный фазовый корректор

При каскадном включении нескольких каналов ТЧ, т.е. в канале с несколькими переприемами по ТЧ, характеристики неравномерности ГВП сквозного канала складываются. Для шести пере­приемных участков усредненная характеристика ГВП приведена на рис.3.38 (кривая 2).

Неравномерность ГВП для канала с шестью переприемами по ТЧ примерно в шесть раз возрастает по отношению к каналу с одним пере приемным участком рис.3.38 (кривая 1) .

Цель коррекции с помощью предварительного фазового кор­ректора (ПФК) заключается в получении постоянного значения ГВП в рабочей полосе частот канала, т.е.

Характеристика ГВП корректора должна быть обратной по отношению к ГВП канала связи.

Для обеспечения сравнительной простоты построения ПФК характеристику его ГВП составляют в соответствии с формулой

где  - коэффициенты, принимающие целые значения (К= 1,2,3) и нуль.

Графики функций , где K=1,2,3, изображенные на рис.3.41, показывают на возможность с помощью звеньев их образующих, обеспечивать выравнивание характеристики ГВП канала ТЧ для одного переприемного участка. Основную роль при этом игра­ет звено корректора, имеющее характеристику (кривая 1) рис.3.41 , соответствующую функции , равную "переверну­той" средней характеристике ГВП одного переприемного участка рис.3.38 (кривая 1) .

Для реализации функций и применяются фазовые контуры второго порядка, называемые соответственно основным корректирующим (ОКЗ), низкочастотным (НКЗ) и высоко­частотным (ВКЗ) звеном.

ПФК состоящий из указанных звеньев включается каскадно с каналом ТЧ. Типы звеньев я их число задаются набором коэффици­ентов , которые подбираются таким образом, чтобы условие (3.4) выполнялось с требуемой точностью. Применение звеньев трех типов позволяет снизить исходную большую неравномерность (рис.3.38 (кривая 2)) до неравномерности в 1-1,5 мс, т.е. неравномерности ГВП определяемой одним переприемным участком.

Если характеристика ГВП канала ТЧ известна, то по заданным графикам функций можно подобрать зна­чения коэффициентов .Однако подобная процедура настройки ПФК связана с большими затратами времени. Поэтому а АПД предусматривается автоматическая настойка ПФК, исключаю­щая какие-либо предварительные измерения частотных характерис­тик канала ТЧ с этой целью. При этом время настройки должно быть минимальным, не превышающим единиц-десятков секунд.

Для каналов военно-полевых сетей характерно наличие срав­нительно большого диапазона длин. соединительных линий , которые дополнительно вносят неравномерность ГВП в канал связи. С целью коррекции, вносимых соединительными линиями неравномерностей ГВП, в состав АПД входят корректоры соединительных линий, которые как правило настраиваются вручную, посредством установки переключателей корректоров в положения, соответствующие длине линии.

Цифровой корректор сигнала

При скорости передачи в канале ТЧ превышающей 2400 бит/с точность коррекции неравномерности его ГВП достигаемая с помощью ПФК, недостаточна. После ПФК остаточная неравномерность ГВП будет еще соизмерима с длительностью единичного элемента цифрового сигнала, поэтому на выходе детектора включают цифровой корректор сигнала (ЦКС), задачей которого является обеспечение выполнения условия отчетности импульсной характеристики системы "эквивалентный №4 плюс корректор сигнала". В отличие от ПФК параметры корректора сигнала зависят как от АЧХ и ФЧХ канала, так и от вида модуляции и способа обработки сигнала на приеме. Поэтому ПФК называют корректором канала, а корректирующее устройство, включаемое между синхронным детектором и схемной сравнения, - корректором сигнала. Реализуется ЦКС в виде специализированного вычислителя.

Корректор сигнала, как правило, представляет собой гармонический корректор (ГК) с системой автоматической настройки  (рис.3.42) и состоит из (2N+1)) звенной дискретно-аналоговой линии задержки. По звеньям в этой линии с тактовой частотой  "перемещаются" аналоговые отсчетные значения, поступающие с синхронного детектора. Отсчетное значение на выходе ГК образуется как взвешенная сумма (2N+1) входных отсчетных значений. Весовые  коэффициенты в отводах  принимают такие значения, чтобы отсчетное значение, снимаемое с основного отвода (n=0), было в наименьшей мере подвержено МСИ. Весовые коэффициенты в отводах могут рассчитываться при известных характеристиках канала и сигнала или подбираться в соответствии с выбранным итеративным алгоритмом. В настоящее время преимущественно применяется второе направление. Подбор весовых коэффициентов обеспечивающих минимум; например, квадратичной погрешности

где Нп - отсчетное значение импульсной характеристики H(t),

называется настройкой ГК. Остаточная погрешность по ГВП с включением ПФК и ГК составляет 150¸200 мкс, что соответствует ос­таточной погрешности по фазе 6 ±80 и по затуханию ±1,5 дБ.

Передаточная функция ГК имеет вид:

коэффициенты - являются аналоговыми величинами.

Передаточной функции (3.5) соответствует импульсная характеристика

Для вывода этой формулы использовано фильтрующее свойство  - функции

Пусть H(t) - импульсная характеристика эквивалентного ФНЧ. Тогда с учетом включения ГК импульсная характеристика системы "эквивалентный ФНЧ плюс ГK" равняется свертке импульсных ха­рактеристик

Поскольку решение о принимаемых символах производится в дискретные моменты времени , то (3.6) примет вид;

для упрощения записи

Условие отсчетности в этом случае эквивалентно системе (2N+1) линейных уравнений

где

По известной характеристике Н(t) решение системы (3.8) позволяет определить весовые коэффициенты . Решение находятся только для вещественных значений . Однако импульсная характеристика H(t) не всегда известна точно, и решение системы 20-40 линейных уравнений -  сложная задача (особенно при аппаратурной реализации УПС). Поэтому на практике для настройки ГК применяют интерактивные алгоритмы.

Критерием настройки выбирается квадратичная погрешность

Подставив в формулу (3.7), найдем зависимость квадратичной погрешности от весовых коэффициентов

при Н0=1. Далее, начиная с некоторого начального набора , получим на i -м шаге итерации такой набор весовых коэффициентов  при котором достигается минимум .

Квадратичная погрешность  является 2N -мерной параболой, поверхность которой унимодальна. Для отыскания минимума такой поверхности эффективен градиентный алгоритм или алгоритм наискорейшего спуска.

Смысл градиентного алгоритма заключается в необходимости определения в начальной точке поверхности, задаваемой набором , градиента и осуществлении спус­ка в направлении, противоположном градиенту. В результате полу­чим точку поверхности, где .Новая точка поверхности однозначно определяется весовыми коэффициентами

Параметр lп называется длиной шага адаптации. В зависимости от выбора длины шага lп различают модификации градиент­ного алгоритма. При настройке ГК выбирают обычно  и по величине l составляет 0,01-0,03 от возможного диапазона изменений весовых коэффициентов корректора.