CC BY
38
р
ш
Рис. 7. Зависимость эффективности возбуждения поверхностной волны от расстояния между проводом открытого волновода и точкой соединения вибраторов УБ.
тканого возбуждения поверхностной волны сосредоточенным источником, согласованной с открытым волноводом, путем оптимизации параметров.
И. Д. ЗОЛОТАРЕВ Д. А. ТИМОШЕНКО Я. И. КАРАКОСОВ
Омский государственный университет
УДК 621.396.13
В настоящее время широко применяются как простые, так сложные виды манипуляции. К первой группе можно отнести амплитудную (АМн), частотную (ЧМн), фазовую (ФМн) и относительную фазовую (ОФМн). Ко второй - квадратурную ФМн, гауссовскую ЧМн с минимальным сдвигом и т. д. Последние обладают более высокой скоростью и помехоустойчивостью, однако для физической реализации соответствующих модуляторов необходимы достаточно сложные и дорогостоящие микросхемы, что часто делает их применение неоправданным. В работах [1-3] наибольшее внимание уделяется помехоустойчивости, Однако при разработке реальной системы телеметрии не менее важна степень физической реализуемости выбранного алгоритма, С практической точки зрения интересно сравнение по двум этим критериям.
Обычно передаваемая информация представляет собой двоичный код. Символы передаются последовательно, единице соответствует элемент сигнала u,(t), нулю -iij(t). Каждый элемент имеет длительность Т Пусть передан элемент и,. Обозначим момент поступления сигнала на в х од д ем о дул я тор а через t=0. Сам сигнал запишется в виде:
z(t) = ku,(t) + n(t) = S,(t) + n(t), {0 t T).
ЛИТЕРАТУРА
1. Кисмерешхин В.П., Лобова ГН. Моделирование линейной антенной решетки на основе однолроводной пинии передачи II Приборы и техника эксперимента. 1996. №5.0.85-86.
2. Кисмерешкин В.П., Лобова ПН. Об использовании од-нопроводной линии передачи в антенной технике II Антен-но-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи. Сборник трудов 3-й Международной научно-технической конференции. Воронеж. 1997. Т.2. С.290 - 300.
3. Кисмерешкин В.П., Лобова ПН. Моделирование амплитудных распределений поля вибраторно-волноводной решетки на основе однопроводной линии передачи II Приборы и техника эксперимента. 1998. N34. С.92 - 93.
4. Патент№2144720. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Устройство возбуждения поверхностной волны.
КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой КПРА. АЛЕКСЕЕВ Петр Демидович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой ТЭА. АЛЕКСЕЕВ Александр Петрович, аспирант кафедры КПРА.
Здесь n(t) - аддитивный шум. Условие принятия решения о том, что был передан i-й символ можно записать в виде[1 ]:
jz< ()*,(/)<* -Ua Jr(i)i (OA "
a Z о ^
£ = ji;<r)A {1)
и
Здесь ^-энергия сигнала Введем переменные sjl) = s,(t) - Sj(t) • разностный сигнал и X = (Е,-Ег)/2 - пороговый уровень.
Таким образом, необходимо построить устройство, которое работало бы по следующей схеме:
1. вычисление интегралов произведений сигнала на входе и каждого из сигналов s,
2. вычитание из полученных значений энергии i-x сигналов
3. нахождение максимального результата и принятие решения о переданном сигнале.
Этот алгоритм демодуляции получил название корреляционного.
Правило решения может быть упрощено: подберем и таким образом, чтобы их энергии, а значит и энергии s.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ АЛГОРИТМОВ ДЕМОДУЛЯЦИИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕМЕТРИИ
РАССМАТРИВАЮТСЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОСНОВНЫХ АЛГОРИТМОВ МОДУЛЯЦИИ/ДЕМОДУЛЯЦИИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ. СРАВНЕНИЕ ВЕДЕТСЯ ПО ДВУМ КРИТЕРИЯМ: ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ И СТЕПЕНИ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗУЕМОСТИ. ОБОСНОВЫВАЕТСЯ НАИБОЛЕЕ ПРИЕМЛЕМЫЙ АЛГОРИТМ ДЛЯ РЕАЛЬНЫХ СИСТЕМ ТЕЛЕМЕТРИИ С УЧЕТОМ ИМЕЮЩИХСЯ НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ ДОСТУПНЫХ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ.
были одинаковы. Тогда второе слагаемое в обеих частях неравенства (1) сократится и )-е решение будет приниматься, если величина т
^(ОМ/Э (3)
и
максимальна для ¡=| > При этом отпадает необходимость в вычитающих устройствах. Системы, в которых энергии з| равны, называются системами с активной паузой. Их главное достоинство состоит в том, что при построении реального демодупятора нет необходимости знать к. Это удобна при работе в каналах с замираниями, в которых коэффициент передачи флуктуирует. Благодаря этой особенности системы с активной паузой получили широкое распространение.
Однако системы АМн не относятся к этому классу. При физической реализации данного алгоритма демодуляции эффективность полученного устройства недостаточно высока по ряду причин. Во-первых, решающее устройство неизбежно содержит интегратор, на который поступает напряжение, содержащее помехи. Это приводит к тому, что в некоторой области принятых сигналов телеметрии решение носит уже случайный характер и не зависит от сигнала. Кроме того, е реальном устройстве невозможно точно сформировать необходимое пороговое напряжение X. Также невозможно добиться полного совпадения фаз опорного сигнала и принимаемого колебания.
При корреляционном приеме фазома ни пули ро ванного сигнала необходимо наличие опорного колебания, синхронного с принимаемым сигналом. По ряду причин единственным способом получения опорного колебания является выделение его из самого сигнала[11. Для этого существует ряд методов, но при любом из них фаза опорного генератора может скачкообразно изменить свое значение на 71. При этом демодулятор начнет принимать единицы вместо нулей и наоборот. Этот эффект называется явлением обратной работы. Он возникает и пропадает спонтанно е моменты скачков фазы опорного генератора. Таким образом, мы никогда не можем точно сказать, принимаем мы переданный код или его инверсию. Вследствие этого сегодня не существует реальных систем, где фазовая манипуляция использовалась бы в чистом виде. Для устранения явления обратной работы был введен альтернативный способ модуляции, названный относительной фазовой манипуляцией. Теперь при перескоке фазы опорного генератора ошибка возникает только в одном символе, а последующие регистрируются правильно, таким образом явление обратной работы устранено. Однако во всяком случае получение опорного колебания является непростой задачей, что увеличивает громоздкость алгоритма и, соответственно, серьезно затрудняет его реализацию на простых однокристальных микроконтроллерах, что, как правило, неприемлемо для систем телеметрии. В общем случае вероятность ошибки при корреляционном приеме в случае аддитивного белого шума [1]:
(4)
I / ( Е
1-Ф ' *
~ 2 V 2М
ч VI •» / /
заданного значения. Тогда энергии сигналов 8, и 8г также ограничены сверху некоторым значением Е:
т т
о о
Эквивалентная энергия может быть представлена через Е1 и Ег:
Е, = }(*, (О - ¿:0))2 Л = | - +)Л =
о о
= | + 2*! -+ У Л = 2£, + 2Е, - + );Л
О (I о
Нас интересует максиум этого выражения. Он достигается при максимальных Е,=Е и Ег=Е и минимальном значении третьего слагаемого. Под интегралом стоит неотрицательная величина, значит наименьшее из возможных значений интеграла это 0. Оно достигается при 3,(1) = -б2(1). Такие системы носят название систем с противоположными синапами. В этот класс входят системы двоичной фазовой манипуляции. Для них Еэ = 4Е, а вероятность ошиб-ки[1]:
1
1 -Ф
Ш)
Энергии ожидаемых сигналов в данном случае оказываются равными, то есть мы имеем дело с системой с активной паузой.
Система частотной манипупяции является системой с ортогональными сигналами. Эквивалентная энергия в этом случае будет равна 2Е. Тогда вероятность ошибки[1):
I
Р ~2
1-Й —
Этот алгоритм удобен для использования в реальных системах телеметрии, так как существует несложный способ демодуляции ЧМн сигнала, допускающий реализацию на простейших однокристалльных микроконтроллерах.
Для АМн Е, = Е, = 0; Ег = 0. Тогда из формулы (4) получим Еа = Е, значит вероятность ошибки[1]:
где М0 - односторонняя спектральная плотность белого шума, Е - энергия сигнала, а
- функция Крампа, которая является монотонно возрастающей. Следовательно, при постоянном уровне шума вероятность р будет ниже у той системы, у которой выше эквивалентная энергия сигналов. Определим класс систем, у которых значение эквивалентной анергии будет наибольшим. Пусть мощность сигнала не превышает некоторого
/> = :
Становится очевидно, что при переходе от системы АМн к ЧМн одинаковая вероятность ошибки обеспечивается при вдвое меньшей максимапьной мощности ЧМн передатчика. Другими словами, ЧМн обеспечивает энергетический выигрыш в два раза по сравнению с АМн по максимальной мощности. Аналогичный выигрыш имеет место и при переходе от ЧМн кФМн. При рассмотрении перехода от АМн к ФМн получим энергетический выигрыш, равный четырем.
Если принять вероятность ошибки для ФМн за р, то для ОФМн будем иметь 2р'(1-р) = 2р. То есть в системе ОФМн ошибки приема встречаются вдвое чаще. При этом ошибки, как правило, группируются по две. Графики зависимостей вероятностей ошибки для ОФМн и ЧМн от отношения сигнал/шум имеют вид, представленный на рис.1. Из графика видно, что для большинства реальных систем телеметрии, где отношение ЕЖ0 больше единицы, вероятность ошибки для системы ОФМн ниже, чем для ЧМн.
выше были рассмотрены четыре основных айда манипуляции - амплитудная, частотная, фазовая и относительная фазовая. АМн и ЧМн имеют одинаковую потенциальную помехоустойчивость в случае, когда АМн имеет вдвое большую максимальную мощность сигнала. Вследствие этого и а силу определенных сложностей, возникающих при физической реализации демодулятора АМн, ЧМн имеет преимущество. Поскольку системы АМн не относятся к системам с активной паузой, то возникает проблема точного определения ненулевого порога срабатывания решающего устройства. Она усугубляется тем, что этот пороговый уровень зависит от коэффициента передачи кана-
ла. Поэтому реальная помехоустойчивость при АМн значительно ниже потенциальной, в то время как демодулятор ЧМ реализуется с высокой степенью точности. Выше было показано, что для обеспечения равной вероятности ошибки в системах ФМн и ЧМн, мощность сигнала второй должна быть вдвое больше. Однако система ФМн в чистом виде не может применяться вследствие эффекта обратной работы. Эта проблема была решена введением относительной фазовой манипуляции. Но при этом вероятность ошибки для ОФМн вдвое выше.
И. Д. ЗОЛОТАРЕВ Д. А. ТИМОШЕНКО М.О. ПИСАРЕВ
Омский государственный университет
УДК.621.396.13
В настоящее время для сбора информации с пространственно разнесенных объектов широко используют тепе-метрические системы. Часто возникают ситуации, когда применение кабельных линий связи по техническим или экономическим причинам невозможно. В указанных случаях передача данных осуществляется по радиоканалам посредством манипулированных сигналов. Для этой цели могут быть использованы как простые виды манипуляции, к которым относятся амплитудная (АМн), частотная (ЧМн), фазовая (ФМн) и относительная фазовая (ОФМн), так и сложные, такие как квадратурная ФМн, гауссовская ЧМн с минимальным сдвигам и т. д. Последние обеспечивают повышение скорости и помехоустойчивости передачи по сравнению с первыми, однако алгоритмы формирования
Таким образом, имеются две системы, использование которых в системах телеметрии наиболее це лесооб разно -- ЧМн и ОФМн. Обе они являются системами с активной паузой, то есть не требуют наличия порогового уровня. При равной мощности ЧМн имеет вероятность ошибки большую, чем ОФМн (см. рис.1). Однако при окончательном выборе вида сигналов необходимо учитывать и другие показатели, такие как сложность физической реализации, стоимость демодулятора и другие. Частотная манипуляция превосходит ОФМн по этим параметрам. Так при демодуляции ЧМн не требуется выделения опорной частоты из принимаемого сигнала, что позволяет легко реализовать указанный алгоритм на простейших однокристальных микроконтроллерах.
ЛИТЕРАТУРА
1. ЗюкоА.П, КловскийД.Д., Назаров М.В., ФинкЛ,М. Теория передачи сигналов. - М.:Свяэь, 1980. -288с.
2. ХворостенкоН.П., Статистическая теория демодуляции дискретных сигналов, - М,:Свяэь, 1968. -336с,
3. Заездный А.М,, Окунев Ю.Б., Рахоеич Л.М., Фазо-раэ-ностная модуляция,- М.:Свяэь, 1967. -304с.
ЗОЛОТАРЕВ Илья Давыдовым, доктор технических наук, профессор, заведующий радиофизическим отделением кафедры экспериментальной физики физического факультета. ТИМОШЕНКО Димтрий Анатольевич, ассистент кафедры экспериментальной физики физического факультета. КАРАКОСОВ Ярослав Игоревич, студент физического факультета.
таких сигналов весьма громоздки. Вследствие этого разработаны специализированные интегральные микросхемы, осуществляющие операции моду ля ци и-демоду л я ции таких сигналов, однако е силу высокой стоимости их применение не всегда оправдано.
Согласно (1, 2[, максимальную помехоустойчивость среди простых видов манипуляции при когерентной обработке обеспечивают системы с противоположными сигналами, к которым относятся ФМн и ОФМн. В то же время показано, что энергетический проигрыш при переходе к ортогональным сигналам, например ЧМн, невелик Поскольку реализация модема для ЧМн сигналов представляет собой значительно меньшие трудности по сравнению с аналогичным устройством для противоположных сигна-
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ДЕМОДУЛЯЦИИ ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
В ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
В РАБОТЕ ПОЛУЧЕНЫ ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ДЕМОДУЛЯЦИИ ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ВЛИЯНИИ НА НИХ ПОМЕХ, ХАРАКТЕРНЫХ ДЛЯ ГОРОДСКИХ УСЛОВИЙ: БЕЛЫЙ ШУМ, СОСРЕДОТОЧЕННАЯ ПОМЕХА. МНОГОЛУЧЕВОСТЬ. ПОЛУЧЕНЫ ГРАФИКИ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ОШИБОК ОТ УРОВНЕЙ ШУМА И СОСРЕДОТОЧЕННОЙ ПОМЕХИ. ПРЕДЛОЖЕНА ОЦЕНКА НЕОБХОДИМОГО УРОВНЯ МОЩНОСТИ СИГНАЛА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УВЕРЕННОГО ПРИЕМА В УКАЗАННЫХ УСЛОВИЯХ.
