Методы разнесённого приёма в системах подвижной связи

РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.391 А. А. ШАГ АРОВ А

МЕТОДЫ РАЗНЕСЁННОГО ПРИЁМА В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

Приводится анализ основных методов разнесённого приёма в системах подвю/сной связи.

9

Ключевые слова: разнесённый приём, радиоволна, помехоустойчивость.

В цифровых системах подвижной радиосвязи и широкополосного доступа замирания, возникающие из-за многолучевого распространения сигнала, значительно ухудшают характеристики приёма. Для обеспечения высокой надёжности передачи данных без чрезмерного увеличения как мощности передатчика, так и интервала повторного использования частот широко используются методы разнесённого приёма в качестве методов борьбы с влиянием быстрых замираний из-за многолучевости. Выигрыш, получаемый за счёт разнесения, увеличивается по мере возрастания требований к качеству обслуживания в цифровых системах подвижной связи [1]. В статье рассматриваются основные методы разнесённого приёма в системах подвижной связи с целью выявления наиболее эффективного.

Анализ методов разнесения в системах

подвижной связи

Методы разнесения требуют организации ряда путей передачи сигналов, называемых ветвями разнесения, и схемы их комбинирования или выбора одного из них. В зависимости от

характеристик распространения радиоволн в системах подвижной радиосвязи находят применение несколько групп методов построения ветвей разнесения: пространственные, угловые, поляризационные, временные, частотные, кодовые.

Для пространственного разнесения требуется одна передающая и несколько приёмных антенн. Расстояние между приёмными антеннами выбирается так, чтобы замирания сигнала из-за многолучевости были иекоррелированы. При угловом разнесении используется несколько направленных антенн, которые независимо реагируют на сигналы, поступающие под определёнными углами. При поляризационном разнесении сигналы передаются с помощью двух ортогонально-поляризованных радиоволн, которые в точке приёма имеют некоррелированные статистики замираний из-за многолучевости. Различия в частоте и времени передачи могут быть использованы для организации ветвей разнесения с не коррелированной статистикой замираний. На рис. 1 показаны структурные схемы частотного и временного методов разнесения [1].

ч

Антенна Антенна

Антенна Антенна 11

Элемент адерхки

г* Коммутатор

-*

+

А

о

Рис. 1. Структурная схема ветвей разнесения: а - в частотной; б - во временной областях

Шагарова А. А., 2010

В системах разнесённого приёма применяются методы комбинирования некоррелированных сигналов, такие как оптимальное сложение по критерию максимального отношения сигнал/помеха, сложение с разными весами, автовыбор. Структурные схемы, реализующие эти методы, показаны на рис. 2. При идеальной реализации метод оптимального сложения обеспечивает максимальное улучшение характеристик помехоустойчивости. Однако для него требуются блоки фазирования, весовой обработки и сложения (рис. 2а). Структурная схема метода сложения с равными весами (рис. 26) отличается отсутствием блоков весовой обработки. Недостаток метода заключается в том, что помехи и шум, содержащиеся в «зашумлённых» ветвях, могут суммироваться с «чистыми» сигналами ветвей разнесения, не содержащими помех. Ме-

тод автовыбора (рис. 2в) предполагает выбор наилучшей ветви разнесения по максимуму принимаемого сигнала (минимуму вероятности ошибки на бит). Недостаток метода заключается в том, что при его реализации необходимо иметь столько приёмных каналов, сколько ветвей разнесения. В схемах автовыбора с переключением или сканированием (рис. За, б) переключение ветвей происходит, когда уровень принимаемого сигнала ниже установленного порога [1, 2]. Порог может иметь фиксированное значение (рис. За) или адаптивно подстраиваться при перемещении подвижного объекта (рис. 36), улучшение характеристик помехоустойчивости, достигаемое при использовании метода переключения, зависит от точности установки порога, временной задержки в цепи обратной связи, необходимой для выполнения контроля, оценивания, принятия

Антенна

V

Блок

фазирования

4

Антенна

V

Приемник

Детектор

V

Детектор

А

Антенна

Антенна

— А

Приемник

Детектор

В

Рис. 2. Структурная схема методов комбинирования сигналов при разнесении приёма: а - оптимальное сложение; б - сложение с равными весами; в - автовыбор

Рис. 3. Методы автовыбора: а - с фиксированным; б - переменным порогами

Антенна

Рис.4. Структурная схема метода периодического выбора ветви разнесения

Блок фазирования

Приемник

Детектор

Детектор

Приемник

Антенна

Антенна

решения и осуществления переключения.

На рис. 4 показана структурная схема реализации метода переключения, в которой выбор ветви разнесения производится периодически с помощью автономного генератора.

Это метод используется в низкоскоростных цифровых частотных модуляций (ЧМ) системах с большой девиацией частоты, в которых искажение фазы из-за переходных процессов при периодическом переключении могут быть подавлены. Такое улучшение характеристик помехоустойчивости, которое обеспечивает обычный метод переключения, можно получить с помощью ЧМ с соответствующим образом подобранным фильтром нижних частот (ФНЧ) [1].

Различные методы разнесённого приёма оцениваются отношением сигнал/шум (С/Ы), сигнал/помеха (С/1), при которых обеспечивается заданное значение вероятности битовой ошибки Ре. Гак как мгновенное значение С/Ы у - квадрат огибающей сигнала, распределённой по закону Релея [1], то функция плотности распределения вероятности случайной величины (ФГ1РСВ) у представляет собой экспоненциальный закон распределения:

1 г Р (У ) = — е

У (О

где у - среднее значение у.

Мгновенное значение С/1, обозначенное как X, - отношение статистически независимых квадратов огибающих сигнала и помехи, распределённых по закону Релея. ФГГРСВ X представляет собой И-распределение [1]:

I

А

где Д - среднее значение А,.

Пусть у\

У1Л1 >У2 У2Л2 >Т]

для сложения с равными весами,

- для автовыбора.

У статистически независимых сигналов различных ветвей разнесения огибающие имеют релеевское распределение с одинаковой средней мощностью [1]. Тогда ФПРСВ у для рассмотренных методов комбинирования могут быть записаны в следующем виде [1]:

р(у) = Хе

У

У

у2

- для оптимального

сложен и я

.1? 4у

Р

р

у

2— - для автовыбора.

У

Вероятность потери связь определяется как вероятность того, что у не превысит заданного значения у5:

I Б

Р(у<у8)= |р(у)с1у5

о

где у5- заданное значение амплитуды.

На рис. 5 приведены графики значений функции Р(у), вычисленные согласно подстановки в (9) соответствующих выражений (6, 7, 8) с учётом (3, 4, 5). Как видно из графиков, за счёт разнесённого приёма может быть существенно снижен динамический диапазон у.

Согласно методике, изложенной в [3], можно представить выражения для ФПРСВ X:

р(А) =

ния;

с!А,

X

А + Х

- для оптимального сложе-

р(Х.) =

<а

А& + X

- для сложения с рав-

ными весами;

р(М =

выбора.

¿х

х

X

(А + Х)2 (А + 2Х)2

- для авто-

При равенстве средних значений отношений сигнал/помех во всех ветвях разнесения

К

?

о

Улучшение характеристик помехоустойчивости за счёт различных методов разнесённого приёма может оцениваться по степени уменьшения допустимых значений X и 7 при фиксированном значении Ре. Влияние различных методов разнесения на улучшение характеристик помехоустойчивости цифровых систем радиосвязи при наличии релеевских замираний из-за много-лучёвости анализировались в работах [4, 5, 6].

Применительно к подвижной радиосвязи улучшение характеристик помехоустойчивости за счёт разнесения рассматривалось с учётом влияния неселективных замираний огибающей. В работе [1] приводится анализ влияния двукратного разнесения на снижение вероятности ошибок при приёме многопозиционных частотно-моделиро-ванных (МЧМ) сигналов в сухопутных системах подвижной радиосвязи в условиях воздействия неселективных квазистатических релеевских замираний, применяется метод двукратного комбинирования

путём идеального автовыбора.

* * *

Аналогичные результаты были получены и при использовании других методов разнесения и исследовании зависимости среднего значения вероятности ошибки от среднего значения сигнал/помеха при разнесённом приёме MSK и QPSK сигналов в условиях релеевских замираний и применения двукратного разнесения с оптимальным сложением. Таким образом, из приведённых результатов следует, что в случае двукратного разнесения для снижения значения вероятности битовой ошибки на приёме требуется в два раза меньшее увеличение отношения сиг-нал-помеха, чем при одиночном приёме. Данные результаты можно перенести и на п-кратное разнесение.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Феер, К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра/ К. Феер; пер. с англ.; под ред. В. И. Журавлева.-М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

2. Parson, J. D. Single - receiver diversity sys-tem/J. D. Parson, P. A. Ratliff, M. Henze, M. J. Withers//IEEE Trans. Commun. Vol. COM-21. -

1973. - November. - P. 1276-1298.

3. Arredondo, G. W. A multipath fading simu-lator for mobile radio/G. W. Arredondo, Chriss E//IEEE Translations on Vehicular Technology. -November, 1973.

A, Apinmongkolarn. P, R., P.N. Performance of digital FM systems in fading environment/ P.R. Apinmongkolarn, P. N. Morinaga, T. Namekawa // IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., Vol. AES-10-

1974. - September. - P. 698-710.

5. Кловский, Д. Д. Обработка пространственно-временных сигналов (в каналах передачи информации) / Д. Д. Кловский, В. А. Сойфер. -М. : Связь, 1976.-206 с.

6. Кловский, Д. Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам/ Д. Д. Кловский. -М. : Радио и связь, 1982. - 304 с.

Шагаров а Анна Александровна, преподаватель кафедры ОПД УВАУ ГА (И), соискатель кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ.

Рис. 5. Графики функций распределения

г*

Р(у <у,)= |р(у^у

о

для различных методов разнесённого приёма

Рис. 6. Графики функций распределения

?(\<\)= \р(Х)6Х

о

ддя различных методов разнесённого приёма

Рис. 7. Зависимость усреднённой вероятности ошибки от среднего значения отношения сигнал/шум при воздействии квазистатических релеевских замираний при двукратном разнесении с додетекторным

выбором