Исследование помехоустойчивости передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий

При организации третичного цифрового тракта в стволе аналоговой РРЛ цифровой сигнал занимает всю основную полосу частот и передача других сигналов в данном стволе невозможна. Для размещения цифровой информации в стволе РРЛ необходима полная замена оконечного модемного аналогового оборудования на цифровое. Из экономических соображений целесообразно сохранение инфраструктуры аналоговой РРЛ, при которой на промежуточных станциях производится переприем сигнала без регенерации сигнала.

Использование существующей структуры аналоговых радиорелейных линий, где осуществляется переприем сигнала по промежуточной частоте, приводит к следующей проблеме. При многократном переприеме сигнала на ПРС без регенерации на выходе участка РРЛ между узловыми и оконечными станциями происходит накопление шумов и помех, что приводит к резкому росту вероятности ошибок на выходе секции резервирования

,                                        (1)

где n – количество переприемов сигнала на участке РРЛ между узловыми и оконечными станциями;

- мощность сигнала на входе  радиорелейной станции ( );

- мощность шумов различного происхождения, приведенный ко входу радиорелейной станции;

- мощность сигнала на входе  радиорелейной станции, на которой будет производиться демодуляция и регенерация сигнала.

При оценке шумов различного происхождения в тракте РРЛ необходимо учесть:

• тепловые шумы приемных устройств;
• шумы от нелинейных переходов высокочастотного тракта;
• шумы от нелинейных искажений сигнала, вызванных отражениями в антенно-волноводном тракте.

Если аналоговая радиорелейная линия состоит из нескольких участков резервирования (модемных участков), то итоговая вероятность ошибки на выходе РРЛ составит

,                                                                (2)

где m – число участков резервирования РРЛ.

Справедливость выражений (1, 2) доказана в ряде работ по данному вопросу.

В настоящее время существует довольно широкий ряд цифровых модемов, позволяющих получить сигнал промежуточной частоты 70МГц, модулированный цифровым сигналом Е3 методом четырехпозиционной фазовой модуляции, так как именно методы модуляции 4-ОФМ и 4-ОФМ-С являются оптимальными с точки зрения простоты реализации, занимаемой полосы частот и помехоустойчивости. Однако ограничение спектра сигналов с фазовой модуляцией при формировании полосы пропускания радиоканала приводит к возникновению уменьшения амплитуды огибающей сигнала в моменты смены фазы, причем уменьшение тем глубже, чем больше значение скачка фазы (при смене фазы на 180º наблюдается уменьшение до нуля). Наличие неравномерности огибающей фазоманипулированного сигнала приводит к появлению паразитной фазовой модуляции, вызванной амплитудно-фазовой конверсией (АФК), что увеличивает вероятность ошибки при приеме цифровых сигналов.

Для оценки качества передачи цифровых сигналов по стволам аналоговой РРЛ  и возможной дальности связи без регенерации сигнала на промежуточных станциях необходимо разработать: 

1. методику определения шумов от нелинейных переходов ВЧ тракта с учетом вида передаваемого сигнала;
2. методику определения шумов, вызванных неоднородностями в фидерном тракте;
3. методику определения шумов, возникающих из-за влияния амплитудно-фазовой конверсии, при прохождении ФМ-сигнала с неравномерной огибающей через СВЧ устройства и методы их уменьшения.

При определении мощности тепловых шумов приемных устройств и определении мощности сигнала на входе приемника можно воспользоваться существующими методиками.

 

Во второй главе рассмотрены факторы, которые определяют соотношение сигнал/шум на интервале аналоговой РРЛ.

Мощность сигнала на входе приемника определяется энергетическими параметрами приемо-передающей аппаратуры и условиями распространения сигнала на интервале РРЛ. Данный параметр может быть определен с помощью уравнения радиосвязи. Произведенные расчеты показывают, что средние значения уровня сигнала на входе приемника имеют величину минус (55-70) дБВт.

Для определения шумов и искажений, вносимых приемо-передающей аппаратурой необходимо рассмотреть следующие составляющие:

 1) Значительную часть мощности шумов в тракте радиорелейной линии составляют тепловые шумы, источником которых являются входные цепи приемника. Расчеты показали, что значения тепловых шумов системы с учетом шумов антенны, фидерного тракта и приемника составляют не более 4 пВт.

2) Наряду с этими шумами в стволе на интервале РРЛ появляются шумы, источником которых являются продукты нелинейных искажений сигнала, передаваемого по стволу РРЛ. При рассмотрении варианта передачи цифрового сигнала с фазовой модуляцией по аналоговому радиостволу необходимо рассмотреть шумы от нелинейных переходов высокочастотного тракта.

Источником шумов от нелинейных переходов высокочастотного тракта является нелинейность фазочастотной характеристики ВЧ тракта, приводящая к возникновению паразитной фазовой модуляции, которая после детектирования сигнала на стороне приема воспринимается как шум. Для аппроксимации фазочастотной характеристики используется степенной полином третьей степени

,                                      (3)

где , , , - коэффициенты разложения характеристики ФЧХ.

 Для оценки фазовой ошибки  предлагается использовать аналитическое выражение, описывающее изменение частоты фазоманипулированного сигнала, с ограниченным спектром, в моменты смены фазы

  или  .                          (4)

Величина в (4) определяет фактическую величину скачка частоты в зависимости от полосы пропускания радиоствола, величина зависит от тактовой частоты модулирующего цифрового сигнала и позиционности модуляции и отражает степень инерционности переходных процессов, возникающих при ограничении спектра. Используя выражения (3, 4), можно определить фазовую ошибку, вызванную нелинейностью ФЧХ

.                   (5)

Приобретенный паразитный фазовый сдвиг (5) приводит к возникновению напряжения сигнала ошибки при детектировании сигнала на стороне приема.

Для определения сигнала ошибки на выходе фазового детектора, вызванного нелинейностью ФЧХ высокочастотного тракта, целесообразно рассмотреть сигналы с нормированными амплитудами. Такой подход не требует определения абсолютного значения напряжения сигнала на выходе фазового детектора, следовательно, может считаться универсальным для любой реализации, так как позволит определить сигнал ошибки, выраженный относительно единичной амплитуды полезного сигнала. Результатом работы фазового детектора является вычисление функции

,                                (6)

где - значение фазы фазоманипулированного сигнала текущего символа модуляции.

Абсолютное значение ошибки детектирования составит

 .                                (7)

Напряжение сигнала ошибки распределяется неравномерно на протяжении тактового интервала на выходе фазового детектора и представляет собой нелинейную функцию. Для оценки отношения сигнал/шум на интервале РРЛ целесообразно представить искажение ФМ сигнала в виде шума для включения их  в состав шумов различного происхождения. Предложено использовать методику, которая была использована для оценки шумов квантования при аналого-цифровом преобразовании. Данная методика заключается в усреднении  на тактовом интервале напряжения ошибки с  известным законом изменения.

Для определения эффективного значения мощности шума сначала необходимо вычислить

  .                                                  (8)

Полученный результат представляет собой нормированное относительно единичного импульса значение напряжения ошибки, или  .

Выполненные  для некоторых типов оборудования расчеты показали, что нормированное значение мощности шума ВЧ тракта не превышает величины .

3) Шумы в антенно-волноводном тракте возникают из-за наличия отраженных сигналов.

Если фидер не согласован на концах с антенной и передатчиком, то часть энергии волны, распространяющейся от передатчика к антенне, отразится и в фидере возникнет еще одна волна. Часть энергии этой волны, отразившись от стыка волновода и передатчика, образует дважды отраженную волну в направлении от передатчика к антенне. Так как коэффициенты отражения от концов фидера и обычно значительно меньше единицы, то на практике можно не учитывать волны, отраженные более чем один раз от обоих концов фидера, вследствие малой их амплитуды. Поэтому при оценке влияния неоднородностей АВТ на передаваемый сигнал можно рассматривать только основную падающую волну и волну, отраженную от двух концов фидера  .

Ввиду того, что отраженный сигнал запаздывает относительно основного сигнала на время , после сложения с полезным сигналом он приводит к нелинейным искажениям модулированного сигнала. Рассмотрим процесс возникновения нелинейных искажений, вызванный наличием в волноводе отраженных волн.

Если отраженный сигнал запаздывает на время , а в точке отражения из-за комплексного характера коэффициента отражения получается дополнительный фазовый сдвиг , то результирующий сигнал на приемном конце определяется из векторной суммы, показанной  на рисунке 1.

Очевидно, что наличие фазового сдвига приводит к возникновению паразитной фазовой модуляции информационного сигнала, величина которого есть значение .

Рисунок 1 – Сложение  векторов напряжения основного и

отраженного сигналов

В диссертационной работе показано, что фазовый угол в конце модемного участка является случайной величиной, которая может принимать любые значения от -π до +π с одинаковой вероятностью.

Из рисунка 1 видно, что значение паразитного фазового сдвига результирующего сигнала примет значение близкое к максимальному, если расхождение по фазе основного и отраженного сигнала будет равно . С учетом этого можно записать

.            (9)

Так как значения коэффициентов отражения реальных АВТ не превышают 10%, то с использованием (9) определены значения паразитного фазового сдвига, которые не превышают 0,01 радиан.

Для расчета напряжения ошибки, которое вызывается паразитной фазовой модуляцией сигнала, возникающей в антенно-волноводном тракте можно воспользоваться разработанной ранее методикой, которая применялась для оценки шумов антенно-волноводного тракта. Результаты расчета нормированной мощности шумов антенно-волноводного тракта показали, что эта величина не превышает .

Далее с использованием существующих и разработанных методик рассчитаны значения отношения сигнал/шум на интервале РРЛ, которые для различных типов аппаратуры имеют величину 40 – 45 дБ.

 

Третья глава посвящена разработке методики определения вероятности ошибочного приема сигналов с фазовой модуляцией при воздействии АФК.

За основу взята методика оценки помехоустойчивости приема сигналов М-ФМ с использованием дополнительной функции ошибок

,                                                     (10)

где ,

- функция ошибок,

  .

Данная методика позволяет определить вероятность ошибочного приема в зависимости от отношения сигнал/шум и позиционности фазовой модуляции. Однако такая постановка задачи не позволяет определить степень ухудшения качества связи на интервале РРЛ при воздействии явления амплитудно-фазовой конверсии, которым обладают приемо-передающие устройства СВЧ и в особенности усилители мощности. Поэтому была разработана методика определения вероятности ошибки при воздействии АФК и шума.

Для оценки влияния АФК предложено использовать модель Салеха, которая описывает зависимость амплитуды (11) и фазы (12) выходного сигнала от амплитуды входного сигнала

,                                                     (11)

,                                                (12)

где - нормированная относительно максимального значения амплитуда входного фазоманипулированного сигнала.               

Как уже упоминалось, воздействие АФК сказывается в появлении дополнительно фазового сдвига в составе фазоманипулированного сигнала. Закон изменения огибающей сигнала М-ФМ (паразитную амплитудную модуляцию) предлагается представить в виде

.                                               (13)

Наличие нелинейного фазового сдвига приводит к изменению местоположения сигнальной точки на фазоамплитудной плоскости, что приводит к уменьшению расстояния между ними, а, следовательно, и к увеличению вероятности ошибочного приема, причем необходимо учесть и воздействие шумов интервала РРЛ. Данный процесс отражен на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - Возникновение ошибки при воздействии гауссовского шума и АФК на сигнал с фазовой модуляцией

Используя закон изменения фазы сигнала, полученный на основе выражения (9), разработана методика определения функции плотности распределения фазы в зависимости от скачка фазы (для 45º, 90, 135º, 180º).

Таблица 1 - Функция, аппроксимирующая плотность распределения

	а1	а2	а3	Пределы изменения величины	Функция, аппроксимирующая плотность распределения величины
45º	0,081		0,04	0,005 – 0,145
90º	0,126	7500	0,04	0,01 – 0,31
135º	0,22	3000	0,04	0,02 - 0,425
180º	0,26	900	0,04	0,02 – 0,52