Методы обеспечения помехоустойчивости при приеме сигналов. Принципы цифровой обработки сигналов

Введение

Актуальность работы. В целом проблема защиты радиоэлектронных устройств от естественных, взаимных и организованных радиопомех еще далека от своего решения. Однако в настоящее время известно значительное число методов борьбы с отдельными видами и группами помех. Влияние индустриальных и взаимных помех обычно существенно ослабляется. Это достигается разносом несущих частот, соответствующим расположением антенн мешающих друг другу радиопередатчиков, кодированием сигналов, применением средств подавления помех в электроприборах и т. п. Естественные помехи типа внутренних шумов радиоприемников и флуктуации принимаемых сигналов, возникающие при отражении от радиолокационных целей и в процессе распространения радиоволн, существуют практически непрерывно. К непрерывно действующим часто принадлежат также шумы подстилающей поверхности и отражения от местных предметов. Современные радиоэлектронные устройства и системы строятся так, чтобы обеспечивалось их нормальное функционирование в условиях непрерывно действующих помех. Создание таких устройств и систем — весьма сложная задача. Однако сейчас она довольно успешно решается, чему в значительной степени способствуют имеющиеся успехи, достигнутые в области теории и практики оптимального радиоприема.
Объект исследования: помехоустойчивость при приеме сигналов
Предмет исследования: радиоприем.
Цель работы: рассмотреть методы обеспечения помехоустойчивости при приеме сигналов и принципы цифровой обработки сигналов
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть методы обеспечения помехоустойчивости при приеме сигналов;
- привести принципы цифровой обработки сигналов.
1. Методы обеспечения помехоустойчивости при приеме сигналов
Под помехоустойчивостью понимают способность радиоприемного устройства противостоять вредному воздействию помех на воспроизводимое сообщение. При оценке частотной избирательности радиоприемного устройства предполагалось, что помеха находится вне полосы пропускания. Из предыдущих параграфов следует, что в действительности спектры сигнала и помех перекрываются. В результате помеха всегда есть не только на входе радиоприемника, но и на его выходе. Это учитывается при определении реальной чувствительности. Среди всех возможных помех исключительное место занимает принципиально неустранимая флуктуационная помеха теплового шума, спектр которого простирается от частот в долю герца до 1012 - 1013 Гц. Поскольку энергия такого шума распределена равномерно по спектру, как и у белого света, его называют белым. Шум относится к процессам случайным, подчиняющимся статистическим законам. Следовательно, сигнал вместе с шумом на выходе приемника воспроизводится также в виде случайного процесса. Случайный процесс характерен тем, что он не может быть предсказан точно, а только с некоторой степенью вероятности. Отсюда и невозможность точного определения параметров сигнала, несущего полезное сообщение, что приводит к неизбежным ошибкам при воспроизведении последнего.
В связи с этим повышение помехоустойчивости радиоприема оказывается возможным только на основе учета различия статистических свойств сигнала и шума. Такую задачу решает статистическая теория радиоприема, основывающаяся на работах А. Н. Колмогорова, Н. Винера, на теории потенциальной помехоустойчивости В. А. Котельникова, теории информации К. Шеннона, которые, в свою очередь, опираются на теорию вероятностей и математическую статистику. В силу последнего не представляется возможным излагать здесь положения статистической теории радиоприема. Ограничимся лишь перечислением решаемых ею задач, которые заключаются в определении оптимальных алгоритмов обработки входного сигнала; отыскании технического воплощения оптимальных алгоритмов; определении характеристик качества работы оптимальных приемников и выявление зависимости характеристик качества оптимальных приемников от параметров и вида модуляции.
Впервые проблему отыскания оптимального приемника, обеспечивающего минимальное по заданному признаку отличие воспроизводимого сообщения от исходного и исследование его свойств, рассмотрел В. А. Котельников. Он ввел понятие потенциальной помехоустойчивости, т. е. предельно достижимой помехоустойчивости для заданных условий приема. При данной структуре помехи и данного сигнала потенциальной помехоустойчивостью обладает так называемый идеальный приемник. Зная потенциальную помехоустойчивость, можно судить о неиспользованных возможностях ее повышения и целесообразности усовершенствования реального приемника. Теория потенциальной помехоустойчивости является более общим решением задачи радиоприема сигналов на фоне шумов с применением оптимальных линейных фильтров. Оптимальные фильтры в зависимости от принятого критерия качества обеспечивают максимальное отношение сигнал/шум или минимальную среднеквадратичную ошибку в воспроизведении сообщения. Фильтры первого типа обеспечивают фильтрацию модулированных сигналов до детектора. Фильтры второго типа выделяют из шума весь сигнал, а не только один или несколько его параметров и могут включаться в последетекторном тракте. Оптимальный фильтр согласуется со спектром сигнала по форме и ширине и поэтому называется согласованным. Если фильтр согласован только с шириной спектра, он называется квазиоптимальным. Для оптимальной фильтрации импульсных сигналов частотная характеристика оптимального фильтра должна быть согласована со спектром, форма которого представлена на рис. 1.а.
Рисунок 1 - Спектральная характеристика радиоимпульса (а) и амплитудно-частотная характеристика (б) гребенчатого согласованного фильтра.
Оптимальные (согласованные) фильтры, форма частотной характеристики которых аналогична форме спектра импульсного сигнала, называют гребенчатыми (рис. 1.б). Гребенчатый фильтр пропускает только те составляющие, частоты которых совпадают с составляющими спектра сигнала, несущими большую часть энергии. На рис. 1.б это составляющие вблизи fo±∆f. В то же время не пропускаются или значительно ослабляются составляющие, частоты которых располагаются вблизи точек 1, 2, 3, 4 и т. д. Согласованные фильтры являются обязательным элементом оптимального приемника. Для уменьшения уровня шумов на выходе линейного тракта приемника необходимо сужать его полосу пропускания. Это возможно, если одновременно сузить спектр принимаемого сигнала. Предположим, что спектральная плотность шума Sш, а полоса пропускания линейного тракта приемника П, мощность шума на выходе Рш=SшП. Отношение сигнал/шум Pc/Pш=Pc/SшП. Если длительность сигнала принять tи=l/П, то Рс/Рш= tиPc/Sш, т. е. тем больше, чем больше длительность сигнала. В этом случае помехозащищенность приема достигается за счет увеличения длительности сигнала, т. е. за счет увеличения времени передачи. Однако системы, в которых улучшение отношения сигнал/шум достигается за счет полосы, характеризуются пороговым значением Рс/Рш. Если это отношение на входе приемника становится меньше некоторого (порогового) значения, то это же отношение на выходе начинает быстро падать. Отношение сигнал/шум может быть улучшено за счет избыточности информации

. Примером такого метода является передача с повторением. В этом случае на приеме используют накопление за счет сложения повторно принятых сигналов одинакового содержания. Возможный выигрыш может достигнуть n½ раз, где n — число повторений, зависящее от уровня шума.
В качестве примера повышения помехоустойчивости за счет различия в статистических свойствах сигнала и помехи можно указать на корреляционный метод приема. Коротко суть этого метода заключается в следующем. Случайные процессы, какими являются сигнал и помеха, обладают тем свойством, что их значения в один момент времени каким-то образом влияют на значения этого же или другого случайного процесса в другой соседний момент времени. Такая взаимосвязь в случайных процессах называется корреляцией. Функция корреляции гармонического сигнала постоянна при изменении интервала между соседними моментами, тогда как функция корреляции шума убывает с увеличением интервала между сравниваемыми реализациями. Структурная схема приемника, в которой используется автокорреляционный метод, показана на рис. 2. Входное напряжение сдвигается линией задержки на интервал т. Затем первоначальный сигнал и его копия, сдвинутая на время т, перемножаются. Мгновенные значения произведения усредняются (суммируются) в интервале времени, равном длительности сигнала, с помощью накопителя.
Рисунок 2 - Структурная схема автокорреляционного приемника.
Для случая приема AM сигнала время, за которое осуществляется усреднение, должно быть мало по сравнению с периодом наивысшей частоты модуляции. В конце интервала суммирования накопитель мгновенно разряжается при помощи какого-либо разрядного устройства. Напряжение на выходе накопителя будет представлять последовательность пилообразных импульсов, сохраняющих закон амплитудной модуляции принимаемого сигнала. Если пропустить эту последовательность через фильтр нижних частот, то на выходе будет получено низкочастотное напряжение.
В основах всех способов повышения помехоустойчивости информационных систем лежит использование определенных различий между полезным сигналом и помехой. Поэтому для борьбы с помехами необходимы априорные сведения о свойствах помехи и сигнала.
В настоящее время известно большое число способов повышения помехоустойчивости систем. Эти способы удобно разбить на две группы.
I группа – основана на выборе метода передачи сообщений.
II группа – связана с построением помехоустойчивых приемников.
Простым и применяемым способом повышения помехоустойчивости является увеличение отношения сигнал/помеха за счет увеличения мощности передатчика. Но этот метод может оказаться экономически не выгодным, так как связан с существенным ростом сложности и стоимости оборудования. Кроме того, увеличение мощности передачи сопровождается усилением мешающего действия данного канала на другие.
Важным способом повышения помехоустойчивости передачи непрерывных сигналов является рациональный выбор вида модуляции сигналов. Применяя виды модуляции, обеспечивающие значительное расширение полосы частот сигнала, можно добиться существенного повышения помехоустойчивости передачи.
Радикальным способом повышения помехоустойчивости передачи дискретных сигналов является использование специальных помехоустойчивых кодов. При этом имеется два пути повышения помехоустойчивости кодов:
1. Выбор таких способов передачи, которые обеспечивают меньшую вероятность искажения кода;
2. Увеличение корректирующих свойств кодовых комбинаций. Этот путь связан с использованием кодов, позволяющих обнаруживать и устранять искажения в кодовых комбинациях. Такой способ кодирования связан с введением в код дополнительных, избыточных символов, что сопровождается увеличением времени передачи или частоты передачи символов кода.
Повышение помехоустойчивости передачи может быть также достигнуто путем повторной передачи одного и того же сообщения. На приемной стороне сравниваются полученные сообщения и в качестве истинных принимаются те, которые имеют наибольшее число совпадений. Чтобы исключить неопределенность при обработке принятой информации и обеспечить отбор по критерию большинства, сообщение должно повторяться не менее трёх раз. Этот способ повышения помехоустойчивости связан с увеличением времени передачи.
Системы с повторением передачи дискретной информации делятся на системы с групповым суммированием, у которых сравнение производится по кодовым комбинациям, и на системы с посимвольным суммированием, у которых сравнение осуществляется по символам кодовых комбинаций. Посимвольная проверка является более эффективной, чем групповая.
Разновидность систем, у которых повышение помехоустойчивости достигается за счет увеличения времени передачи, являются системы с обратной связью. При наличии искажений в передаваемых сообщениях информация, поступающая по обратному каналу, обеспечивает повторение передачи. Наличие обратного канала приводит к усложнению системы. Однако в отличие от систем с повторением передачи в системах с обратной связью повторение передачи будет иметь место лишь в случае обнаружения искажений в передаваемом сигнале, т.е. избыточность в целом оказывается меньшей.
Помехоустойчивый прием состоит в использовании избыточности, а также априорных сведений о сигналах и помехах для решения оптимальным способом задачи приема: обнаружения сигнала, различия сигналов или восстановления сообщений. В настоящее время для синтеза оптимальных приемников широко используется аппарат теории статистических решений.
Ошибки приемника уменьшаются с увеличением отношения сигнал/помеха на входе приемника. В связи с этим часто производят предварительную обработку принятого сигнала с целью увеличения отношений полезной составляющей к помехе. К таким методам предварительной обработки сигналов относится метод ШОУ (сочетание широкополосного усилителя, ограничителя и узкополосного усилителя), селекция сигналов по длительности, метод компенсации помехи, метод фильтрации, корреляционный метод, метод накопления и др.
Рассмотрим простые практические способы построения кодов, способных обнаруживать и исправлять ошибки. Ограничимся рассмотрением двоичных каналов и равномерных кодов.
Метод контроля четности. Это простой способ обнаружения некоторых из возможных ошибок. Будем использовать в качестве разрешенных половину возможных кодовых комбинаций, а именно те из них, которые имеют четное число единиц (или нулей). Однократная ошибка при передаче через канал неизбежно приведет к нарушению четности, что и будет обнаружено на выходе канала. Очевидно, что трехкратные, пятикратные и вообще ошибки нечетной кратности ведут к нарушению четности и обнаруживаются этим методом, в то время как двукратные, четырехкратные и вообще ошибки четной кратности – нет.
Практическая техника кодирования методом контроля четности следующая. Из последовательности символов, подлежащих передаче через канал, выбирается очередной блок из k-1символов, называемых информационными, и к нему добавляется k-й символ, называемый контрольным. Значение контрольного символа выбирается так, чтобы обеспечить четность получаемого кодового слова, т.е