Статистические характеристики каналов радиосвязи

В каналах связи сигналы при передаче искажаются, что приводит к воспроизведению сообщения на приемном конце с некоторой ошибкой. В общем случае это приводит к пониже­нию достоверности и скорости передачи. Причиной этому явля­ются искажения, вносимые самим каналом, случайные помехи, воздействующие на сигнал в линии связи, а также случайные из­менения параметров самого радиоканала.

Искажения, вносимые каналом, могут быть линейными и не­линейными. Они устраняются путем соответствующей коррекции характеристик канала радиосвязи.

В отличие от искажений помехи носят случайный характер. Они заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью уст­ранены.

По характеру спектра все помехи в каналах связи можно разделить на флуктуационные, сосредото­ченные и импульсные.

Флуктуационная помеха является случайным гауссовым про­цессом, обладающим практически равномерным энергетическим спектром. Эта помеха имеет место во всех реальных каналах связи. Примером флуктуационной помехи являются внутренние шумы приемника, космические шумы и некоторые виды атмос­ферных и индустриальных помех. Ширина спектра флуктуационных помех на входе приемника намного больше спектра переда­ваемого сигнала.

Сосредоточенная помеха имеет энергетический спектр более узкий или такой же, как у сигнала. Она может создаваться пос­торонними радиостанциями и другими промышленными объектами. Как правило, сосредоточенные помехи представляют со­бой модулированные колебания. Этот вид помех особенно сильно проявляется в коротковолновых каналах радиосвязи.

Импульсная помеха представляет собой случайные или регу­лярные последовательности импульсов большой скважности. Дли­тельность таких импульсов меньше длительности элементарного сигнала. Переходные явления от воздействия импульсов в прием­нике обычно успевают затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К импульсным помехам относятся многие виды ат­мосферных и индустриальных помех. В зависимости от частоты следования импульсов они могут воздействовать на приемник с широкой полосой как импульсная помеха, а на приемник с уз­кой полосой — как флуктуационная помеха.

Еще одним видом помех является флуктуация параметров радиоканала. Случайные изменения его параметров приводят к непостоянству коэффициента передачи и времени прохождения сигналов по каналу связи, а также к явлению многолучевого рас­пространения радиоволн.

Все перечисленные выше возмущения являются неотъемле­мой частью канала радиосвязи и обязательно проявляются в ви­де помехи в той или иной мере при передаче сигналов.

Независимо от вида помехи(П) радиосвязи её действие на сигнал А можно представить в виде оператора

.

Если возмущение, действующее в канале радиосвязи, склады­вается с сигналом, то это аддитивная помеха. К аддитивным по­мехам относятся тепловые шумы, атмосферные, космические, промышленные и станционные помехи.

Аддитивная помеха воздействует на вход приемника незави­симо от сигнала и проявляется также при отсутствии сигнала. В этом случае оператор  преобразуется в сумму

Аддитивную помеху в инженерной практике часто называют шумом.

Если же возмущение непосредственно связано с прохождением сигнала в канале радиосвязи, то оно называется мультипликативной помехой. Эта помеха перемножается с сигналом ипри его отсутствии никак не проявляется на входе приемника. При этом оператор  преобразуется в произведение

,

где а — коэффициент передачи канала радиосвязи, изменяющийся случайным образом во времени.

Мультипликативные помехи возникают в результате многолу­чевого распространения радиоволн, их интерференции в точкеприема, а также в результате нерегулярных изменений парамет­ров среды распространения радиоволн (высоты и толщины сло­ев тропосферы, электронной концентрации ионосферы и т. п.).

В результате многолучевости распространения радиоволн ам­плитуда и фаза сигнала медленно, по сравнению с собственными колебаниями, изменяется. Это изменение можно представить как процесс модуляции в виде произведения модулируемой и модули­рующей функций.

Мультипликативная помеха может быть также результатом проявления нелинейных свойств отдельных элементов канала ра­диосвязи, в которых одновременно действуют сигнал и помеха.

В каналах радиосвязи имеют место как аддитивные, так и мультипликативные помехи. Поэтому сигнал в канале радиосвя­зи может быть представлен в виде

                               ,            

где — коэффициент передачи канала радиосвязи;

A (t) — передаваемый сигнал;

 — время запаздывания сигнала i -го луча;

П _i (t) — аддитивная помеха;

k — число лучей.

Канал связи, параметры а и  которого неизменны во вре­мени, называется каналом с постоянными параметрами. Таких каналов крайне мало. К ним относятся проводные каналы связи и каналы радиосвязи УКВ прямой видимости.

Во всех же других каналах радиосвязи параметры а и  не­прерывно меняются случайным образом. Такие каналы радиосвя­зи называются каналами с переменными параметрами.

Случайные изменения параметров а и  приводят к непре­рывному изменению уровня принимаемого сигнала. Эти явления называются замираниями (федингами). Замирания обусловлены интерференцией в точке приема многих лучей, прошедших раз­личные пути в результате многократного отражения радиоволн от различных слоев атмосферы.

Когда взаимное запаздывание приходящих лучей соизмеримо с длительностью элемента сигнала, явление многолучевого рас­пространения вызывает не только замирание сигнала, но и на­ложение соседних элементов сигнала друг на друга. Это явле­ние называется радиоэхо, а запаздывающий луч — эхо-сигналом.

Медленные изменения параметра , приводящие к мед­ленным замираниям, вызываются суточными и сезонными изме­нениями состояния тропосферы и ионосферы.

Быстрые замирания обусловлены главным образом многолу­чевым распространением радиоволн.

Типичными представителями каналов с переменными пара­метрами являются коротковолновые каналы радиосвязи, а также УКВ каналы тропосферной, ионосферной и метеорной радиосвязи.

Условием обеспечения высокой пропускной способности кана­ла с переменными параметрами является превышение полосы пропускания канала F _K над суммарной шириной спектра муль­типликативных и временных составляющих помех всех k лучей

,

где F _{a i}— наибольшая частота флуктуации коэффициента пе­редачи;

F _{t i} — наибольшая частота флуктуации фазы в i -м луче.

Это объясняется, в отличие от действия аддитивных помех, сильными корреляционными связями мультипликативных и вре­менных составляющих помех в спектре принимаемого сигнала.

Если не принимать специальных мер, то замирания сигналов, вызываемые случайными изменениями параметров канала, снижают устойчивость связи, помехоустойчивость и  пропускную спо­собность канала.