Мультипликативные помехи

МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЕ ПОМЕХИ И БОРЬБА С НИМИ В СИСТЕМАХ ТРАНСПОРТНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Разрабатываемая в настоящее время комплексная система железнодорожной радиосвязи «Транспорт» включает в себя несколько сетей поездной. станционной и ремонтно-оперативной радиосвязи. Для их организации требуется большое число радиоканалов, которые предполагается разместить в новых участка диапазонов метровых и дециметровых воли. Тем самым будет освоен для организации систем технологической радиосвязи диапазон ультракоротких волн.

Однако освоение указанных диапазонов связано с преодолением ряда трудностей, обусловленных особенностями распространения радиоволн ультравысоких частот и появлением нового вида—так называемых мультипликативных помех в приемниках быстродвижущихся объектов.

Рассмотрение механизма возникновения этих помех и путей уменьшения их влияния на качественные показатели каналов технологической радиосвязи — цель данной статьи.

Механизм возникновения мультипликативных помех

При радиосвязи с транспортными объектами, которые двигаются вдоль железнодорожных магистралей и ж по территории станций, в зону между приемной и передающей антеннами попадает множество препятствий, в частности, станционные здания, подвижной состав, элементы контактной сети и т. п. Так как длина волны колебаний ультравысоких частот соизмерима с размерами этих неоднородностей, то они становится эффективным« переизлучателими электромагнитной энергии. В результате поле в каждой точке трассы создается прямой волной от передатчика с амплитудой Е,1р и фазой Фр. а также несколькими отраженными волнами с амплитудами Еотрп и фазами Фотра.

Так как переизлучатели расположены в пространстве произвольно, то амплитуды Е„трап и фазы Фотрп отраженных волн — величины случайные Поэтому закон изменения напряженности суммарного поля Е вдоль железной дороги приобретает сложный флуктуационный характер (рис 1 а, б) и для его описания необходимо использовать вероятностные методы. Флуктуации напряженности поля получили названия замираний (ДЕ), свойства которых принято характеризовать плотностью распределения W(E) Данный параметр характеризует отношение вероятности нахождения Е в пределах достаточно 1малого интервала значений замираний ДЕ к величине этого интервала

В зависимости от конкретных условий замирания могут иметь разный характер, поэтому для описания их вводится несколько типовых моделей с соответствующими плотностями распределения W(E).

Двулучевая модель замираний, описывающая процесс взаимодействия прямой волны от передатчика с амплитудой Епр и только одной отраженной волной с амплитудой Естр^Епр, а также фазой, принимающей произвольное значение в интервале 0—2л. Этот тип замираний может иметь место на участках с тепловозной тягой, где основным переизлучателем служит верхнее строение пути.

Модель Райса, описывающая замирания на участках, где поле формируется прямой волной от передатчика и N отраженными волнами с примерно одинаковыми амплитудами и случайными фазами.

Этот тип замираний встречается на участках с электрической тягой и на территории крупных железнодорожных узлов.

Модель Рэлея является частным случаем предыдущей и справедлива для участков, где отсутствует прямая видимость между антеннами приемника и передатчика.

Комбинированная модель, описывающая замирания на участках, где поле образуется в результате взаимодействий прямой волны с отраженными волнами, одна из которых имеет амплитуду, сравнимую с Еир (сочетание двухлучевой и рэлеевской моделей).

С помощью плотности распределения можно определить такие важные характеристики напряженности поля, как среднее значение и среднее квадратичное отклонение Е от среднего. Если же требуется оценить глубину замираний, то вводится функция распределения Е(Ео), характеризующая вероятность нахождения случайной величины Е выше заданного уровня Ео. Эта вероятность определяется по формуле.

На рис. 2 изображены графики функции Р(Е0) для всех упомянутых выше моделей замираний. Графики построены в координатах, где по вертикальной оси отложено отношение напряженности поля к его среднему значению, выраженное в децибелах, а по горизонтальной — вероятность того, что это отношение будет больше уровня, указанного на вертикальной ос».

Наибольшая глубина замираний ДЕ, которая определяется как разность относительных значений напряженности, соответствующих заданным уровням вероятности 10. 90 или 1...99 %, наблюдается при двухлучевой модели. Наименьшая глубина замираний соответствует модели Райса при а2 [а2 —средняя мощность всех отраженных волн). Остальные модели дают промежуточное значение ДЕ. Комбинированная модель и модель Райса точнее всего описывают данные экспериментов, проведенных на электрифицированных участках железных дорог. Глубина замираний по этим данным на уровне 10...90 % составила 10... 12 дБ, однако всегда встречаются участки, где ДЕ составляет 20- 30 дБ при тех же уровнях вероятности.

Рассмотренные выше замирания, обусловленные многолучевым распространением радиоволн, определяют тонкую структуру электромагнитного поля, которая может быть выявлена на расстояниях, равных нескольким длинам волн. Кроме этих замираний, всегда существуют изменения среднего значения напряженности поля, обусловленные экранированием при емкой антенны крупномасштабными сооружениями и вариациями профиля местности. Такие изменения могут быть выявлены на расстояниях нескольких десятков и даже сотен длин волн. Усредненная напряженность за счет экранирования иногда на 40...50 дБ меньше данных, справедливых для свободного пространства, и имеет, как правило, логарифмически нормальное распределение со средним квадратичным отклонением в 5...10 дБ.

Так как структура электромагнитного поля вдоль железной дороги сложная со случайными изменениями напряженности, то сигнал в приемной антенне транспортного объекта, движущегося в этом поле, будет иметь быстрые и медленные флуктуации амплитуды, фазы и мгновенной частоты. Средняя частота быстрых флуктуаций параметров сигнала не превышает удвоенного значения допплеровской частоты (V — скорость движения объекта; с — скорость распространения радиоволн; шо — частота передатчика). Интенсивность (глубина) флуктуаций зависит от глубины замираний ДЕ напряженности поля и в некоторой степени от поляризации волн и типа антенной системы.

Флуктуации параметров принимаемого сигнала, возникающие из-за многолучевого распространения радиоволн и движения приемопередатчиков, относятся к классу мультипликативных помех. Их воздействие на приемники сигналов с частотной модуляцией проявляется следующим образом.

Изменения амплитуды на входе частотного детектора, которые не полностью подавляет амплитудный ограничитель, снижают устойчивость приемника по отношению к тепловым шумам и импульсным помехам. При глубоких замираниях отношение сигнал шум на входе может стать недостаточным для надпорогового режима и это будет вызывать непериодически повторяющиеся шумовые всплески 1} телефонном канале.

Интенсивные флуктуации амплитуды принимаемого сигнала приводят к повышению вероятности ошибки регистрации дискретных сигналов, снижению достоверности приема сигналов избирательного вызова, а также нарушают нормальную работу устройств, обеспечивающих непрерывность связи в линейных радиосетях.

Изменения частоты сигнала на входе приводят к флуктуациям напряжения на выходе частотного детектора, а следовательно, к искажениям речевого сигнала. х

Медленные замирания, вызванные появлением участков пространства с пониженной напряженностью поля, могут привести к полному срыву сеансов радиосвязи.

Улучшение качественных показателей каналов радиосвязи при воздействии тепловых шумов и импульсных помех возможно путем увеличения мощности передатчиков и уменьшения полосы пропускания приемника. К сожалению, для борьбы с мультипликативными помехами эти методы малоэффективны. Действительно, повышение мощности передатчика приводит к увеличению интенсивности как прямой, так и отраженных волн. В результате, несмотря на возрастание средней напряженности поля, относительная глубина амплитудных и фазовых флуктуаций принимаемых сигналов останется без изменения. Неэффективна и линейная фильтрация в приемнике, поскольку спектры сигнала и помехи взаимно перекрываются. Это делает "воздействие мультипликативных помех опасным и ставит защиту каналов передачи аналоговой и дискретной информаций от них в число первоочередных задач проектирования сетей радиосвязи с подвижными объектами в диапазоне метровых и дециметровых волн.

Методы борьбы с мультипликативными помехами

В настоящее время известны три основные группы методов борьбы с мультипликативными помехами; разнесенный прием, методы селекции отраженных волн и адаптивная обработка флуктуирующих сигналов эти методы были разработаны для многоканальных систем дальней тропосферной и ионосферной радиосвязей, где также имеются мультипликативные помехи, вызванные многолучевостью и движением отражающих слоев атмосферы. Большинство из них требует существенного усложнения аппаратуры и расширения полосы занимаемых частот, что неприемлемо для одноканальных радиосистем. Поэтому ниже рассмотрим простейшие модификации этих методов, а также ряд новых технических решений, пригодных для реализации в системах технологической железнодорожной радиосвязи.

Разнесенный прием основан на создании двух или нескольких копий одного и того же сигнала, по-разному пораженных мультипликативной помехой, с последующим их комбинированием в приемнике. Чем слабее зависимы между собой изменения амплитуд этих копий, тем больше вероятность того, что при уменьшении амплитуды одной копии ниже заданного уровня амплитуда другой превышает этот уровень. Тогда в результате соответствующей обработки копий в приемнике амплитуда результирующего сигнала будет выше по рога выделения сообщения.

При разнесении но пространству на приемном конце устанавливаются две антенны, расстояние между которыми выбирается в соответствии с величиной интервала пространственной корреляции одним из параметров флуктуирующей напряженности поля (см. рис. 1 б). Для получения наибольшего выигрыша от разнесенного приема необходимо выполнить условие 4, так как в этом случае замирания в двух точках пространства будут практически независимы.

Если отраженные волны приходят со всех направлений, что соответствует условиям приема на транспортном объекте, принимает малые значения и антенны этого объекта можно устанавливать на небольшом расстоянии . При узких пучках отраженных волн, что соответствует условиям приема на стационарном пункте, увеличивается и антенны должны быть разнесены на десятки и даже сотни длин волн.

В тех случаях, когда в процессе переотражения волны частично деполяризуются, возможен разнос по поляризации, при котором прием осуществляется на две антенны различной поляризации. Считается, что основная и деполяризованная компоненты линейно поляризованных волн в одной и той же точке пространства независимы. Однако из-за разной интенсивности процессов в ветвях разнесения этот вид разнесенного приема малоэффективен. Поэтому разнесение при приеме иногда дополняют разнесением при передаче, что способствует выравниванию энергетических параметров ветвей, однако увеличивает зависимость между ними.

И, наконец, при нулевом пространственном разносе компоненты электрического и магнитного полей также независимы и, следовательно, возможен разнесенный прием на две антенны, реагирующие на эти компоненты.

Получив две слабозависимые (некоррелированные) копии сигнала, необходимо их соответствующим образом скомбинировать, для чего используются три основных способа, автовыбор (простой и оптимальный), линейное сложение (до и после детектора) и оптимальное сложение.

При простом автовыборе приемник с помощью переключателя П рис. 3 а) подключен к той антенне, которая обеспечивает в данный момент превышение уровня сигнала над порогом и0. При Е переключатель П по команде анализатора А подключает приемник к другой антене.

При оптимальном автовыборе в любой момент времени выбирается ветвь разнесения с большим уровнем сигнала. Для этого приемник должен иметь, кроме двух антенн, два ВЧ- тракта (рис 3 б), сигналы с выхода которых непрерывно сравниваются в анализаторе А.

В системах с линейным и оптимальным сложением сигналы с выходов двух приемных каналов не коммутируются, а складываются в сумматоре (рис. 3 в). Если сумматор включен до детектора, то сигналы до сложения должны быть сфазированы; при суммировании после детектора фазировка осуществляется автоматически в процессе детектирования. При линейном сложении каналы имеют одинаковые коэффициенты передачи, при оптимальном сложении последние регулируются пропорционально корню квадратному нз среднего квадратичного значения сигнала в каждом канале

На рис.4 приведены графики функций распределения процессов на выходе схем комбинирования при рэлеевской модели замираний. Из графиков следует, что разнесенный прием позволяет существенно снизить вероятность появления малых уровней сигналов и тем самым повысить надежность связи. Так. при оптимальном сложении уровень —5 дБ превышается в 98 % случаев, тогда как без разнесения только в 80 % случаев. Глубина замираний, отсчитываемая на уровне 99.. 1 %, при этом составляет ЗдБ, без разнесения — 30 дБ

При остальных способах комбинирования выигрыш от разнесения снижается значительно только в схеме с простым автовыбором. Однако имеется возможность получения выигрыша, близкого к оптимальному автовыбору, при правильной установке порога . что вместе с простотой схемы (отсутствие двух приемных трактов) делает этот способ комбинирования наиболее предпочтительным при реализации разнесенного приема в системах транспортной радиосвязи.

Установка двух антенн, допустимая в приемнике стационарного пункта, часто нежелательна для подвижного объекта. Возможен вариант разнесенного приема на одиночную антенну этого объекта, требующий двух передающих антенн на базовой станции (рис. 5). Передатчик ее подключен к одной из антенн до тех пор, пока уровень сигнала и на выходе УПЧ мобильного приемника выше порога анализатора. При передатчик подвижного объекта модулируется специальным сигналом, который после приема на базовой станции подключает передатчик последней к другой антенне эффективность этого варианта такая жр, как и системы с простым автовыбором.

Уменьшая глубину замираний, разнесенный прием снижает интенсивность амплитудных и фазовых флуктуаций принимаемого сигнала и благодаря этому становится эффективным средством борьбы с мультикативными помехами.

Селекция отраженных волн. Интенсивность мультипликативных помех при наиболее распространенном райсовском типе замираний зависит от соотношения мощности прямой волны от передатчика и мощности а2 отраженных волн. Прямая и отраженные волны отличаются по амплитуде, частоте (за счет эффекта Допплера), фазе, направлению прихода и поляризации. В связи с этим имеется возможность соответствующей селекции волн и уменьшения а2. Однако разброс перечисленных параметров очень мал, поэтому методы селекции требуют сложных устройств обработки, оправданных лишь в многоканальных радиосистемах связи и радиолокации. Исключение составляют лишь пространственная и поляризационная селекции.

Пространственная селекция осуществима с помощью направленных антенн, ширина диаграммы направленности которых может быть сделана достаточно малой, однако учитывающей возможные вариации угла прихода прямой волны от передатчика. Тогда мощность отраженных волн, направления прихода которых не совпадают с главным лепестком этой диаграммы, может быть значительно снижена. Эффективность указанного вида селекции зависит в основном от уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны.

Поляризационная селекции наиболее эффективна при использовании антенн круговой поляризации. При этом мощность поля отраженных волн а?, наводимых э.д. с. в этих антеннах, значительно меньше мощности суммарного поля волн, принимаемых линейными антеннами. Действительно, волна от передатчика, например, с левосторонним вращением вектора электрического поля при отражении от системы независимых переизлучателей на трассе из- за разных коэффициентов отражения для вертикально и горизонтально поляризованных компонент превращается в совокупность эллиптически поляризованных волн. Каждая из них имеет деполяризованную компоненту с правосторонним вращением вектора электрического поля. Если приемная антенна, согласованная с прямой волной от передатчика, имеет левостороннюю круговую поляризацию, то деполяризованные компоненты отраженных волн не наведут в ней э.д.с. и мощность помех в антенне уменьшится.

Интенсивность деполяризованных компонент зависит от угла падения волн на плоскость переизлучателей, увеличиваясь при его уменьшении (известно, что при нормальном падении волны на диэлектрическую плоскость направление вращения вектора электрического поля изменяется на обратное). Поэтому эффективность поляризационной селекции данного типа резко повышается при узких пучках отраженных волн, приходящих навстречу или вслед объекту. Это возможно при связи с поездами, движущимися по перегону, или при приеме сигналов базовой станцией, антенна которой приподнята над местными переизлучателями. При широких пучках отраженных волн эффективность селекции снижается, однако выигрыш по сравнению с линейными антеннами остается и состав 6. .10 дБ.

Адаптивные методы борьбы с мультипликативными помехами основаны на непрерывном слежении за флуктуациями параметров сигналов на выходе многолучевого канала и автоматическом изменении параметров приемопередающих трактов с целью компенсации этих флуктуаций. В системах технологической радиосвязи целесообразно использовать устройства компенсации амплитудных и фазовых флуктуаций при приеме с помощью быстродействующих систем автоматической регулировки усиления (АРУ) и фазовой коррекции.

Устройства фазовой коррекции могут быть построены на основе систем фазовой автоподстройки частоты гетеродина и фазовой настройки контуров усилителей.

Следует отметить, что эффективность рассмотренных методов борьбы с мультипликативными помехами зависит от условий распространения радиоволн и, следовательно, от типа замираний. Так, разнесенный прием дает наилучшие результаты на трассах с глубокими замираниями двухлучевого или рэлеевского типов, тогда как методы поляризационной селекции и адаптации более эффективны при замираниях, близких к комбинированному или райсовскому типу.

Применение того или иного метода, а также их комбинаций позволяет без увеличения мощности передатчиков существенно уменьшить интенсивность мультипликативных помех и тем самым повысить надежность передачи аналоговой и дискретной информаций и системах технологической радиосвязи в диапазоне метровых и дециметровых волн.

Звоните!
8(926)353-03-60