3.7. Особенности построения УПС для передачи данных по радиоканалам

В реальных радиоканалах сигналы на вход приемника могут приходить по разным путям с различными затуханиями , и различными запаздываниями . Принимаемый сигнал  в этом случае можно представить в виде суммы:

где и  - случайные величины, зависящие от времени;

- аддитивная помеха;

к - номер луча.

Такие каналы связи называются многолучевыми. В коротковолновых радиоканалах параметры изменяются случайно вследствие изменения состояния ионосферы

Любые изменения коэффициента передачи и времени распространения сигналов вызывают флуктуации сигналов на выходе каналов я могут рассматриваться как действие помехи Изменения коэффициента m проявляются в виде флуктуаций амплитуды сигнала и называются мультипликативной помехой. Случайные задержки лучей вызывают фазовые и временные флуктуации сигналов

Многолучевость - основная причина замирания сигнала. Вследствие разностей хода лучей, приходящих от передатчика к  приемнику; сигнал в приемнике представляет собой сумму отдельных колебаний с различными фазами и амплитудами. Интерференция этих колебаний условиях, когда разности хода лучей не остаются постоянными, и является основной причиной флуктуаций, как амплитуд так и фаз составляющих сигнала, В зависимости от ширины спектра сигнала ар и свойства канала различают общие и селективные замирания которые в свою очередь, могут быть быстрыми и  медленными

Общие замирания имеют место, когда время запаздывания лучей  д.р . При этом коэффициент передачи сигнала m (или амплитуда сигнала) и фаза сигнала j для всех частотных  составляющих изменяется одинаково. При большом числе лучей можно считать, что случайная величина j имеет равномерную плотность вероятности на интервале от 0 до 2p, а m  -распре­деление Ролея

где - среднеквадратичное значение коэффициента передачи m.

Селективные замирания наблюдаются тогда, когда время за­паздывания лучей соизмеримо с величиной 1/DF . В этом случае амплитуды и фазы частотных составляющих сигнала изменяются независимо друг от друга. При быстрых замираниях амплитуды и фазы смежных единичных элементов сигнала некорелированы между собой, а при медленных замираниях они изменяются одинаково. В случае медленных замираний коэффициенты передачи канала m и фаза сигнала j практически не изменяются за время длитель­ности нескольких элементов сигнала. Тогда анализ ранее принятых элементов сигнала позволяет с достаточной степенью точности предсказать ожидаемые параметры следующего элемента.

В упрощенном виде распространение сигнала по KB радиоли­нии можно представить с помощью рис.3.45.

В качестве примера рассмотрим двухлучевой канал (n=2) связи. Пусть мощность приходящего к приемнику сигнала изменяется так, что в некоторые моменты времени , а в другие моменты времени . Тогда сигнал на, выходе приемника будет определяться то одним лучом, то другим. Пусть путь второго луча больше, поэтому передаваемый по второму лучу элемент сигнала придет в приемник с запозданием (tзап.) относительно сиг­нала проведшего по первому лучу. Рассмотрим два случая (рис.3.46), когда tзап<Т0/2 и tзап > Т0/2.

На рисунке пунктирной линией показаны изменения уровня сигналов в первом и втором лучах. Треугольниками показаны мо­менты регистрации элементов сигнала в приемнике, определяемые схемой автоматической подстройки тактовой частоты (АПТЧ).

Номера единичных элементов сигнала регистрируемых по соответствующим лучам (рис.3.46) приведены в табл.3.8.

Во втором случае, когда tзan > То/2, на выходе приемника сигнал регистрируется с ошибкой (появляются выпадения и вставки единичных элементов сигналов).

Отсюда следует, что для передачи данных по радиоканалам необходимо добиваться, чтобы длительность единичного элемента сигнала превышала удвоенное время запаздывания лучей, то есть То > 2tзап.

Учитывая конечную скорость распространения радиоволн мож­но утверждать, что время запаздывания единичных элементов сиг­нала зависит от длины радиоволн, скорости распространения радиосигнала и может принимать значения, соизмеримые с временем, определяемым как отношение длины радиолинии к скорости распространения радиоволн. Если ваять дальность связи 1000 км» а скорость распространения радиоволн 300000 км/с, то получим t зап 1000/300000 » 3,3 мс. Отсюда длительность единичного элемента сигнала данных (То), передаваемого по KB радиоканалу, должна быть не менее 4*6 мс.

С другой стороны, согласно первому критерию Найквиста длительность единичного элемента сигнала То ³ 1/2DF- для двух­полосных и То ³ 1/DF - для однополосных систем передачи. Так как для каналов радиосвязи» как правило, полоса пропускания такая же, как и для каналов ТЧ, то T0=160 мкс при ДВП и То=320 мкс при ОВП.

Чтобы обеспечить такую длительность единичного элемента сигнала, скорость модуляции не должна превышать величину 150-250 1/с.

Очевидно, увеличение дальности связи приведет к необходимости дальнейшего увеличения длительности элемента сигнала» то есть к уменьшению скорости модуляции. Только в этом случае можно сравнительно просто избежать ошибок, возникающих за счет многолучевости в радиоканалах связи.

Однако при такой первичной скорости модуляции в канале его полоса использовалась бы не эффективно. Поэтому УПС для работы по радиоканалам строят по принципу многоканального модема с ортогональными сигналами. Вид модуляции - фазоразностная (однократная или двукратная) модуляция. В таком УПС по числу субканалов п формируется П взаимоортогональных несущих колебаний. На каждом временном интервале То по каналу связи передается л элементарных сигналов. Разделение этого группового сигнала в приемнике на сигналы субканалов производится с по­мощью ортогональных приемников, реализуемых на основе согласованных фильтров или корреляторов. Правильная работа п  ортогональных приемников возможна лишь при наличии тактовой синхро­низации, когда последовательность тактовых импульсов сфазирована с границами интервалов модуляции принимаемого группового сигнала. Эта задача решается системой  автоподстройки фазы (АПФ).

Система АПФ определяет знак и величину временных рассог­ласований между границами интервалов модуляции и тактовыми им­пульсами приема и устраняет его с точностью до заданной ошибки слежения.

Для надежной работы систем АПФ к п ортогональным приемни­кам добавляют еще два ортогональных приемника для выделения частот опорных колебаний. Этот принцип использован в УПС для работы по КВ радиоканалу (блок АИ-125) комплекса 76В157. При отсутствии нарушений тактовой синхронизации на выходе двух дополнительных приемников отчетные значения сигнала ортого­нальны.

При нарушении тактовой синхронизации границы интервалов модуляции попадают в пределы интервалов интегрирования, в ре­зультате чего нарушаются условия ортогональности и формирует­ся управляющее воздействие на пропорциональное изменение фазы опорных сигналов Для защиты от случайных изменений фазы тактовой частоты приемника вводятся устройства торможения реакций на основе реверсивных счетчиков. Кроме того, в параллельном УПС необходим еще один субканал для передачи ПИЛОТ-СИГНАЛА, по кото­рому система автоматической подстройки частоты (АПЧ) осуществляет подстройку частоты группового сигнала. Этот субканал располагают на краю частотного спектра канала. Система АПЧ обеспечивает совпадение частот входного сигнала я местного опорного колебания. Во многих приемниках задачи систем АПФ и АПЧ решаются совмещенно системой автоматической подстройки тактовой частоты (АПГЧ). С целью сокращения времени вхождения приемника в синхронизм (в 5-6 раз) применяют схемы АПТЧ с переменным шаром коррекции. При параллельной передаче сигналов скорость rs бит/с зависит от числа параллельных каналов л , длительности элемента сигнала То, числа возможных элементов сигнала m=2:      и равняется

где Ro - скорость передачи по одному субканалу.

Так как из-за наличия запаздывающих лучей величина То не может быть выбрана менее 2-3 мс, то при одноканальной переда­че и m=2 межсимвольная интерференция не учитывается до величи­ны Ks =, 300-500 бит/с. Увеличение числа возможных элементов сигнала М при ЧМ неизбежно приводит к пропорциональному рас­ширению полосы частот. При ОФМ увеличении числа используемых разностей фаз не приводит к заметному расширению спектра сиг­нала, но помехоустойчивость поэлементного приема быстро снижа­ется с ростом М. Учитывая отношения средних мощностей сигнала и аддитивной помехи, характерные для реальных радиоканалов, нецелесообразно выбирать m>8. В современных комплексах для передачи данных по радиоканалам нашли применение УПС, в которых используется двукратная относительная фазовая модуляция (ДОФМ), то есть m-4.

С целью эффективного использования полосы пропускания радиоканала в n-субблоках передаются одноканальные сигналы. Групповой сигнал такой многоканальной системы представляет собой сумму п радиоимпульсов одинаковой длительности То. На рис.3.47 изображено размещение частот несущих колебаний по n -субблокам.

Длительность элемента сигнала То включает длительность интервала ортогональности (интегрирования сигнала в приемнике) Ти а длительность защитного интервала DТ. т.е.

Интервал интегрирования связан с частотами несущих колеба­ний условием ортогональности

Откуда следует эквивалентное условие

где i,n1 - целые числа.

Чтобы выполнялось условие ортогональности канальных .сиг­налов минимально возможный интервал между частотами соседних несущих субканалов должен быть определен как

Для определения длительности интервала интегрирования необходимо выбрать длительность защитного интервала DT. Защитный интервал отводится на установление переходных процессов, вызванных многолучевостью и ограничением спектра сигнала. Же­лательно, чтобы защитный интервал, превышал время запаздывания лучей относительно друг друга.

В реальных каналах время запаздывания лучей составляет 1,5-2 мс, поэтому можно выбрать DT=2¸3 мс.

Величина защитного интервала по частоте Dfз, зависит от частотных характеристик канала и скорости модуляции.

Примеры 1. По известной полосе пропускания канала связи и DFk и времени запаздывания лучей максимальную скорость передачи информации. Используя рис3.47, можно записать

Отсюда  или если принять величину защитного интервала по частоте  =150 Гц и = 3100 Гц, то

Подставляя значение Ти в (3.10), получим

С учетом (3.11) и Мз4 (при ДОФМ) выражение (3.9) преобразуется к виду

Выражение (3.12) устанавливает зависимость скорости пере­дачи  Rf от числа субканалов л при заданной величине защит­ного интервала а Т. Принимая п =12-16 и &Т=(2-3) мс, получим rs Si (3000-3500 ) бит/с.

В практических системах передачи со скоростью Hf " I200 бит/с нашла применение ОФМ(m=2), а при Ид =2400 бит/с -ДОФМ.

На рис.3.48 приведено размещение несущих субканалов в ап­паратуре АИ-122. Здесь кроне информационных субканалов имеются два служебных и один - для передачи пилот-сигнала.

Необходимость построения параллельного УПС обусловлена соответствующей помеховой ситуацией в КВ радиоканалах. С дру­гой стороны, использование параллельного' модема обеспечивает совсем иную статистику распределения ошибок на его выходе.

Экспериментально доказано, что параллельный модем обеспечивает существенно меньшее группирование ошибок и подавлящее их большинство составляют одиночные ошибки или ошибки малой кратности. Этот факт вносит существенное различие в использовании  корректирущих кодов в АПД.

Благодаря наличию защитного интервала, составляющего 10-30% тактового, параллельные модему, в отличие от последовательных оказываются менее чувствительны к погрешностям синхронизации и нс требуют тщательной коррекции ФЧХ канала.