Методы помехоустойчивого приема дискретных сообщений. Тема 2. Лекция №5. Прием двоичных сигналов в каналах со случ. параметрами

1.

кафедра информационнотелекоммуникационных систем и технологий
Дисциплина Анализ информационной безопасности
телекоммуникационных систем
Тема 2 Методы помехоустойчивого приема дискретных
сообщений
профессор
Белов Сергей Павлович
1

2.

Лекция №5 Прием двоичных сигналов в каналах со
случайными параметрами
ВОПРОСЫ
1. Общие сведения о каналах со случайными параметрами.
2. Виды помех, возникающие в каналах со случайными
параметрами.
3. Методы увеличения достоверности приема сигналов в каналах
со случайными параметрами.
ЦЕЛЬЮ
лекции
является
изучение
особенностей
влияния
характеристик каналов со случайными параметрами на достоверность
приема сигналов .
Задачи лекции: изложить природу возникновения каналов с
переменными параметрами, видов помех, существующих в них и,
методы увеличения достоверности приема сигналов при воздействии
этих помех.
Литература:
1 Белов, С.П., Жиляков, Е.Г. Анализ информационной безопасности
телекоммуникационных
систем:
Учебно-методический
комплекс. : http://pegas.bsu.edu.ru/course/view.php?id=8360
Белгород, 2015 год.
2 Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое
применение СПб, Киев,2003 год.

3.

Вопрос 1 Общие сведения о каналах со случайными
параметрами
До настоящего момента были рассмотрены вопросы приема двоичных
сигналов в каналах с постоянными параметрами и аддитивным
стационарным гауссовским шумом. К каналам подобного типа можно
отнести
ряд
реальных
каналов
связи
как
со
свободно
распространяющимися
сигналами
(например,
различные
информационные каналы, использующие УКВ в пределах геометрической
видимости, космические каналы связи), так и с канализируемыми или
направляемыми сигналами (например, кабельные и волноводные каналы
связи). Наряду с такими каналами в настоящее время широко применяются
каналы, параметры которых в процессе передачи информации
непрерывно и случайным образом меняются. К ним относятся уже
упоминавшиеся ранее тропосферные, ионосферные и метеорные каналы
связи. Перечисленные виды каналов относятся к каналам со свободно
распространяющимися сигналами. Каналы со случайными параметрами и
свободно распространяющимися сигналами можно разделить на две
группы:
1) каналы с прямой волной;
2) каналы с отраженно-рассеянной волной.
В каналах первой группы существует геометрическая видимость между
передатчиком и приемником и сигнал распространяется в условиях
случайных изменений параметров среды. Примером подобных каналов
являются наземные каналы оптической связи, гидроакустические каналы
и т. п.

4.

Вопрос1 Общие сведения о каналах со случайными
параметрами
В каналах второй группы геометрическая видимость между передатчиком и
приемником отсутствует и связь обеспечивается при использовании
некоторых свойств неидеальных сред рассеивать и переизлучать энергию
сигнала. Принимаемый сигнал в таких каналах является результатом
переизлучения и рассеяния переданного сигнала некоторым объемом среды
(рисунок 1).
Рисунок 1 Каналы второй группы
Каналы этой группы являются типичными каналами со случайными
параметрами.
Каналы первой группы занимают промежуточное положение между
каналами с постоянными параметрами и каналами второй группы. В
зависимости от условий работы и параметров линии связи (состояния
среды, дальности связи, характеристик антенн и т. п.) эти каналы иногда
ближе к каналам с постоянными параметрами, а иногда — к типичным
каналам со случайными параметрами.

5.

Вопрос1 Общие сведения о каналах со случайными
параметрами
Причиной случайного изменения параметров канала связи может быть
действие целого ряда изменяющихся факторов (температуры, давления,
плотности среды, наличия различных примесей и включений и т. п.). Под
влиянием этих факторов в среде распространения происходят очень
сложные физико-химические процессы, в результате которых ее структура
и характеристики претерпевают непрерывные случайные изменения. Для
удобства исследований в теории распространения сигналов принято
различать макро- и микроструктуру среды.
Макроструктура отражает основные (глобальные) особенности строения
среды и ее физические свойства, обусловленные некоторыми постоянно
действующими факторами. Макроструктура среды и ее свойства меняются
под действием метеорологических условий, а также суточных, сезонных и
годовых изменений температуры. Изменения макроструктуры во времени
протекают довольно медленно, и их средний период может составлять
десятки минут и более.
Микроструктура отражает местные (локальные) особенности строения
среды, обусловленные действием некоторых случайных факторов. К их
числу
относятся
сложные
вихревые
(турбулентные)
процессы,
протекающие в среде, а также различные физико-химические
превращения, происходящие в отдельных участках среды. Изменения
микроструктуры могут происходить за время, составляющее доли
секунды.

6.

Вопрос1 Общие сведения о каналах со случайными параметрами
Изменения структуры среды и ее свойств оказывают существенное
влияние на процесс распространения сигналов и приводят к случайным
изменениям уровня сигнала, поступающего на вход приемника. При
определенных
условиях
диапазон
изменений
уровня
сигнала
оказывается значительным, т. е. сигнал на входе испытывает глубокие
замирания.
В механизме замирания сигналов различают две составляющие: одна из
них обусловлена весьма медленными изменениями макроструктуры
среды, а другая — сравнительно быстрыми
изменениями
микроструктуры.
Прием сигналов в каналах со случайными параметрами представляет
собой значительно более сложную задачу, чем прием в каналах с
постоянными параметрами, так как наряду с влиянием аддитивных помех
на качество передачи информации существенное влияние оказывает
явление замирания сигналов. Замирания приводят к тому, что на
некоторых интервалах времени уровень принимаемого сигнала
становится соизмеримым с уровнем аддитивных помех (или даже
меньше этого уровня). В результате достоверность принятой
информации резко ухудшается, а скорость передачи падает.

7.

Вопрос 2 Виды помех, возникающие в каналах со случайными
параметрами
В этом вопросе основное внимание уделим описанию мультипликативных
помех, возникающих в результате более быстрых замираний, при которых
заметные изменения уровня сигнала наблюдаются за доли секунд. Влияние
такого типа помех на достоверность приема сообщений сложно устранить
не зная особенностей механизма их возникновения. В то время как влияние
медленных замираний на достоверность приема сообщений устраняется
достаточно просто, как это будет рассмотрено в третьем вопросе. Часто
быстрые замирания называют интерференционными. Это связано с тем,
что они обусловлены явлением многолучевости, а не длительными
изменениями макроскопической структуры среды. Под многолучевостью
понимают существование в канале большого числа лучей (путей), по
которым
может
распространяться
электромагнитная
энергия
из
передающей точки в приемную, в пределах диаграмм направленности
антенн, причем время прохождения сигнала от передатчика к приемнику по
отдельным лучам различно. Это явление возникает при дальнем
распространении радиоволн. Если в канале существует достаточно
большое число «рассеивателей» примерно одинакового размера и фазы
переизлучаемых ими сигналов меняются случайно и взаимно независимы,
то на основании центральной предельной теоремы можно утверждать, что
обе квадратурные составляющие результирующего сигнала будут
стремиться к независимым гауссовским случайным функциям с нулевыми
средними значениями и одинаковыми дисперсиями.

8.

Вопрос 2 Виды помех, возникающие в каналах со случайными
параметрами
Такими
же
свойствами
обладают
квадратурные
составляющие
узкополосного гауссовского шума. Амплитуда результирующего сигнала,
как нам уже известно, будет распределена по закону Рэлея, а фаза
равномерно распределена на интервале от 0 до 2 π. Именно такие
замирания огибающей сигнала, обычно называемые рэлеевскими
замираниями, которые очень часто наблюдаются при передаче
информации на многих линиях дальней декаметровой радиосвязи.
Поскольку наши физические представления о среде приводят нас к
заключению о существовании в ней явления многолучевости описанного
выше типа, которое влечет за собой рэлеевские замирания, и поскольку
подобное заключение хорошо согласуется
с экспериментальными
результатами относительно замираний огибающей, то считают, что
наблюдаемые
замирания
действительно
обусловлены
явлением
многолучевости. Результаты исследований показывают, что рэлеевские
замирания снижают верность передачи дискретных сообщений по
одиночному двоичному каналу по сравнению со случаем отсутствия
замираний при том же среднем отношении сигнал/помеха. Энергетический
проигрыш, вызванный рэлеевскими замираниями, измеряется десятками
децибел, и если для сохранения верности связи повышается мощность
передатчика, увеличиваются размеры антенн и т. д., то это требует
больших дополнительных затрат. Кроме того,
на
многих линиях
радиосвязи (особенно на линиях с тропосферным рассеянием) мощность
передатчика и размеры антенн уже и так выбраны максимальными.

9.

Вопрос 2 Виды помех, возникающие в каналах со случайными
параметрами
Заметим, что причиной межсимвольных помех могут быть также
случайные
изменения
характеристик
среды
и
многолучевое
распространение сигналов, как было указано выше, являются причиной
возникновения
межсимвольных
помех.
Строгая
теория
помехоустойчивости систем передачи цифровой информации с учетом
аддитивных шумов и межсимвольных помех до сих пор не разработана.
Это объясняется рядом причин: трудностью получения точного
выражения функции плотности вероятности межсимвольных помех;
разнообразием исходных данных при анализе; неаддитивностью
межсимвольных помех и неравномерностью их энергетического спектра.
В настоящее время известен ряд приближенных методов для оценки
помехоустойчивости приема с учетом межсимвольных помех. Заметим, что
даже
при
использовании
приближенных
методов
расчеты
помехоустойчивости, как правило, приходится выполнять на ЭВМ.
Наиболее простой метод приближенного учета межсимвольных помех
состоит в том, что для каждого информационного символа во внимание
принимается мешающее действие только предыдущего символа, а
действие всех остальных предшествующих символов не учитывается.
Если предположить, что частотная характеристика, обусловленная всеми
полосовыми фильтрами системы связи, симметрична и расстройка между
центральной частотой спектра посылки сигнала и частотой настройки
фильтров отсутствует, то можно пользоваться низкочастотными
эквивалентами.

10.

Вопрос 2 Виды помех, возникающие в каналах со случайными
параметрами
Пусть импульсная характеристика низкочастотного эквивалента системы
связи известна, тогда огибающая посылки сигнала на выходе фильтров
системы связи определится выражением
S вых S вх ( )hн (t )d
(1)
0
где Sвх(t) – огибающая посылки сигнала на входе системы.
Если эта огибающая прямоугольная:
S 0 t1 0
S вх (t ) 0
0 для других t
то
0
S вых (t ) S 0 hн (t )d
(2)
0
Полная энергия посылки сигнала Ес на выходе фильтров системы в этом
случае равна
1 2
Ec S вых (t )dt
20
или с учётом (2)
S 20 0 0
Ec
hн (t 1 )hн (t 2 )d 1d 2 dt
2 0 0 0
(3)

11.

Учитывая, что при приеме используется только та часть энергии посылки
сигнала на выходе фильтра, которая соответствует интервалу времени [0,
τ0], выражение (3) можно представить в виде двух составляющих:
1 0 2
1
(4)
Ec S вых (t )dt S 2 вых (t )dt ф Ec (1 ф ) Ec
20
2 0
где ф - коэффициент, учитывающий неоптимальную фильтрацию принятой
посылки (
< 1).
Первая составляющая выражения (4) является полезной, а вторая
определяет энергию остаточного переходного процесса, который налагается
на следующие посылки (символы), т. е. характеризует межсимвольную
помеху. Следовательно, энергия, определяющая различение посылки
сигнала в шуме с учётом межсимвольной помехи, может быть оценена
разностью энергии посылки, учитываемой на интервале [0, τ0], и энергии
межсимвольной помехи:
(5)
E E (1 ) E (2 1) E
разл
ф
c
ф
c
ф
c
При известной импульсной характеристике системы связи hн(t) и принятом
способе манипуляции сигнала величину Еразл можно рассчитать и,
следовательно, оценить ухудшение помехоустойчивости за счёт межсимвольных
помех. Расчеты, выполненные в ряде работ, показывают, что при оптимальной
полосе действие межсимвольных помех эквивалентно снижению энергии
посылки сигнала на 1 - 2 дБ по сравнению со случаем, когда они не учитываются.

12.

Вопрос 3 Методы увеличения достоверности приема сигналов в
каналах со случайными параметрами
1) Методы борьбы с медленными замираниями.
Вредное влияние медленных замираний невозможно устранить выбором
определенных сигналов, фильтров, методов приема. Поэтому для
достижения удовлетворительной работоспособности системы при
длительном ухудшении состояния канала, учитываемом техническими
требованиями к системе, необходимо просто предусмотреть достаточную
мощность излучения, размер антенны и т. д. (так называемый системный
запас). Получающаяся в результате система может казаться неоправданно
сложной для работы в обычных условиях. Однако такое усложнение
необходимо
для
обеспечения
работоспособности
системы
при
относительно редких условиях, которые разработчик системы связи все
же должен учитывать.
Трудности, возникающие из-за ухудшения состояния канала, можно также
преодолеть, вводя изменения параметров системы в процессе передачи.
Подобные системы обычно называют адаптивными. Как правило, при
падении отношения сигнал/помеха процесс адаптации состоит в снижении
скорости посылки информации в канал (иначе говоря, приходится
учитывать
снижение
пропускной
способности
канала).
Другой
распространенный способ адаптации, позволяющий противостоять
длительным изменениям отношения сигнала к помехе в канале,
заключается в использовании таких простых приемов, как изменение
рабочей частоты при дальней декаметровой радиосвязи.

13.

2) Методы борьбы с интерференционными (быстрыми) замираниями
Для борьбы с этими замираниями вместо увеличения мощности
передатчика и т. п. используют более сложные методы модуляции и приема,
менее чувствительными к замираниям или существенно снижающими их
влияние. Среди этих методов наиболее известным и наиболее широко
распространенным является метод комбинирования сигналов в нескольких
приемниках или, иначе, разнесенный прием. Разнесение сигналов является
эффективным методом повышения качества передачи информации в
каналах со случайными параметрами. Суть метода состоит в том, что
решение о приеме сообщения принимается на основе анализа нескольких
различающихся образцов сигнала, несущих одно и то же сообщение (метод
разнесения сигналов является одним из примеров принципа дублирования,
который находит широкое применение в различных областях техники для
повышения надежности функционирования разнообразных устройств,
механизмов и систем). При передаче цифровой информации по каналам со
случайными
параметрами
эти
образцы
представляют
собой
флюктуирующие копии переданной посылки сигнала.
Необходимо заметить, что с увеличением числа образцов n вероятность
одновременных сильных замираний всех образцов резко уменьшается.
Отмеченное обстоятельство можно использовать для ослабления влияния
замираний при передаче цифровой информации в каналах со случайными
параметрами.

14.

В настоящее время известны следующие виды разнесения, позволяющие
получить флюктуирующие копии (образцы) одного и того же сигнала:
частотное, временное, угловое, поляризационное и пространственное. Рассмотрим кратко суть этих видов разнесения сигналов.
Частотное разнесение сигналов. При этом виде необходимые для
приема образцы сигнала создаются одновременной передачей одной и той
же информации на разных частотах, разнесенных так, чтобы
обеспечивалась слабая коррелированность образцов между собой. По сути
дела, при частотном разнесении сигналов одна и та же информация
одновременно передается по нескольким параллельным каналам.
Нетрудно видеть, что такое разнесение сигналов требует значительного
расширения используемого частотного диапазона и связано с
усложнением, как приемной, так и передающей аппаратуры системы связи.
Поэтому частотное разнесение не нашло широкого применения при
передаче информации в каналах со случайными параметрами.
Временное разнесение сигналов. Суть этого вида разнесения
состоит в том, что передача одной и той же информации повторяется через
некоторые интервалы времени, соизмеримые или превышающие время
корреляции замираний . Естественно, что необходимость повторения
τк приводит к уменьшению скорости ее
передачи одной и той же информации
передачи.

15.

Поскольку при общих замираниях должно выполняться условие tк>tо, при
реализации временного разнесения нужно использовать устройства
памяти достаточно большого объема как в передающей, так и в приемной
частях системы и значительно усложнять аппаратуру.
В некоторых случаях, например для СВЧ линий связи прямой видимости
или для связи между подвижными объектами, частотное разнесение может
оказаться целесообразным.
Снижение скорости передачи и усложнение аппаратуры систем при
временном разнесении сигналов являются основными причинами того, что
этот вид разнесения не получил широкого применения на практике.
•Угловое разнесение сигналов. Этот вид разнесения основан на
применении приемных антенн с остронаправленными диаграммами,
ориентированными в направлении ожидаемого прихода сигналов от
передатчика. При этом между отдельными диаграммами создается
некоторый разнос по углу, обеспечивающий получение различающихся
образцов сигнала.
При увеличении угла разноса Dа корреляция между образцами будет
уменьшаться, а их уровень падать. Если же угол разноса Dа уменьшать, то
корреляция между образцами будет возрастать и образцы станут мало
τк
различающимися между собой. Следовательно,
при угловом разнесении
должны существовать оптимальные углы, соответствующие наиболее
эффективному разнесению.

16.

Исследования показывают, что угловое разнесение в системах
ионосферной и тропосферной связи может быть довольно эффективным
средством борьбы с замираниями. Этот вид разнесения может
применяться для связи между подвижными объектами, когда нельзя
применить другие виды разнесения, или как дополнительная мера при
использовании
комбинированных
способов
ослабления
влияния
замираний сигналов.
•Поляризационное разнесение сигналов. В ряде случаев поляризация
излученной волны при прохождении среды со случайными параметрами
может изменяться и в точке приема волна имеет составляющие с
вертикальной и горизонтальной поляризацией. Исследования показывают,
что прием этих составляющих на две антенны с различной поляризацией
позволяет получить образцы со сравнительно слабой корреляцией.
Необходимо
отметить,
что
заметный
поляризационный
эффект
наблюдается только в некоторых каналах. Поэтому такой вид разнесения
имеет ограниченное применение и не может рассматриваться как
эффективное средство борьбы с замираниями.
•Пространственное разнесение сигналов. Этот вид разнесения основан на
том, что один и тот же сигнал одновременно принимается на несколько
τк
антенн, расположенных в пространстве
на некотором расстоянии друг от
друга. При определенном расстоянии разноса антенн корреляция между
огибающими полученных копий сигнала может быть ослаблена до
необходимой величины.