Помехоустойчивость приемников при импульсных помехах
У импульсных помех случайно не только значение амплитуды (как у флуктуационных помех), но и время появления на входе приемника, длительность импульсов, их число. Такие импульсные помехи из-за неопределенности процесса часто называют хаотическими.
При расчете помехоустойчивости приемников к импульсным помехам необходимо учесть параметры их распределений по амплитуде, времени и длительности. Обычно полных данных из-за трудностей сбора информации нет и, следовательно, расчеты приблизительны.
Чаще всего определяют закон распределения помех во времени при условии, что длительности и амплитуды импульсов помех и сигнала сравнимы. Для описания распределения импульсных помех во времени используют закон Пуассона, т.е.
( 9)
где: --средняя частота появления импульсов помехи.
п -- число импульсов в интервале .
Тогда при известном интервале времени следования кодовой комбинации можно определять вероятность попадания импульсов помехи на базу кода. По соотношениям можно выделить уровни интенсивности импульсных помех. Так, если =1, то по выражению ( 9) вероятность попадания одного импульса на базу кода 0,3679, а вероятность двух ошибок в комбинации Рп = 2 = 0,5е = 0,1839 и т.д. Таким образом, к выбору кода для передачи с требуемой достоверностью нужно подходить исходя из соотношения .
Следует отметить, что интенсивность импульсных помех в зависимости от типа канала колеблется в очень больших пределах (от десятков импульсов в секунду на проводных линиях до десятков тысяч на радиолиниях СВЧ),
Помехоустойчивость приемников к импульсным помехам повышают, используя различия в свойствах сигнала и помехи.
Широкое распространение получили следующие методы разделения сигналов и помех (рис. 8, а);
различение длительностей импульсов помехи и сигнала -- селекция по длительности (рис. 8, б). Этот способ эффективен, если длительность сигнала намного больше длительности импульсов помехи, так как предполагает наличие на входе решающего устройства приемника интегрирующего звена, не пропускающего более короткие импульсы помех;
различение амплитуд импульсов сигнала и помехи, когда между ними нет равенства. Если амплитуды импульсов помехи намного меньше амплитуд сигнала, пороговый уровень приемника устанавливают выше уровня значений помех (ограничение снизу), все значения ниже порога не рассматриваются (рис. 8,в);
если амплитуды импульсов помехи значительно превышают амплитуды сигнала, используют метод ШОУ (широкая полоса - ограничитель - узкая полоса) (рис. 8 г и д).
Этот метод предполагает ограничение импульсов помехи по уровню после прохождения их через широкополосный фильтр без искажения формы, а затем прохождение через узкополосный фильтр (селекция по длительности) на вход решающего устройства.
Таким образом, все импульсы помех, первоначально превышающие по амплитуде сигнал, но более короткие по длительности, не могут вызвать срабатывания приемника,
Кроме рассмотренных методов, существует еще целый ряд методов повышения помехоустойчивости приемников па основе известных различий в изменении параметров сигнала и помех, например прием сигнала с предсказанием, вычитание помехи из сигнала, запирание приемника в момент отсутствия сигнала и т.п.
Комплексная оценка помехоустойчивости приемника элементарных и сложных сигналов. Помехоустойчивость приемника к действию флуктуациониых помех оценивают исходя из кривой плотности распределения напряжения помехи на входе приемника, описываемой выражением (1). Вероятности ошибок и определяются соответственно по формулам (5) и (6). Эти значения не будут точно соответствовать помехоустойчивости реального приемника, так как в расчетах не учитываются время превышения помехой порогового уровня и инерционность приемника.
С другой стороны, при защите от импульсных помех инерционность приемника является одним из главных свойств, позволяющих отделять сигнал от более коротких импульсов помех. Однако параметры распределения импульсных помех по амплитуде, длительности, времени появления и числу импульсов в единицу времени обычно неизвестны. Одним словом, расчеты помехоустойчивости приемников при действии флуктуационных или импульсных помех приблизительны.
Очень трудно сравнить характеристики приемников разных типов, так как изменение их параметров неизвестным образом меняет характер распределения помех на входе. Однако помехоустойчивость приемников можно сравнить, если исходить из комплексной оценки свойств самого приемника, не касаясь характера распределения помех. Такой характеристикой может быть пороговая энергия, т. е. величина, равная произведению пороговых значений напряжения , тока и времени , необходимых для переключения приемника из одного состояния в другое:
.
Действительно, чтобы приемник перешел из состояния 0 в состояние 1, необходимо на его входе иметь напряжение более , развивающее ток, превышающий или равный на время переключения приемника. Если хотя бы одна величина не достигает порогового значения, изменения состояния не произойдет. Для возврата приемника в исходное состояние 0 один из параметров (U,I,T) должен уменьшиться до значения ниже порогового ()
Таким образом, любой приемник характеризуется опреде-ленной пороговой энергией на переход в состояние 1 () и 0 ().
Обычно . Их разность характеризует коэффициент возврата приемника. При = приемник будет давать наименьшее число ошибочных переходов.
На рис. 9 даны значения пороговой энергии включения и выключения для логических элементов, наиболее распространенных в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.
Из сравнения значений этих величин видно, насколько обостряется проблема помехоустойчивости с переходом на более совершенные элементы.
Для правильной оценки помехоустойчивости реального приемника необходимо иметь статистические данные о длительностях превышения пороговых уровней данного приемника. Пересчет имеющихся данных для другого вида приемника затруднителен и неэффективен. Это объясняется тем, что мощность помех на входе приемника зависит от соотношения входного сопротивления приемника, сопротивления тракта передачи и внутреннего сопротивления источника помех. К тому же у большинства приемников наблюдается нелинейная зависимость между входными напряжением и током.
Точно определить помехоустойчивость того или иного приемника можно только при получении распределения времени его срабатывания от помех. Для этого на выход приемника необходимо подключить на определенное время анализатор длительностей импульсов. Такое распределение позволяет правильно определить меры повышения помехоустойчивости.
Повысить помехоустойчивость можно увеличением любого порогового значения приемника ( ) отдельно или в совокупности. Наибольшего эффекта можно добиться увеличением , т.е. повышением инерционности приемника.
В железнодорожных системах автоматики имеются существенные резервы увеличения пропускной способности каналов, что позволяет снижать быстродействие приемников для повышения их устойчивости к помехам.
Если принятые меры повышения помехоустойчивости приема элементарных сигналов не могут считаться достаточными для системы телемеханики, используют методы передачи сложных избыточных сигналов. Такой сигнал, состоящий из определенной совокупности элементарных сигналов, позволяет, с одной стороны, увеличить различия в свойствах сигнала и помехи, а с другой -- повысить разность энергии между ними. Поэтому при приеме проводится оптимальная обработка не только каждого импульса, но и всей совокупности импульсов сложного сигнала.
В телемеханических системах нашли применение следующие способы организации избыточности в сигналах:
многократная передача неизбыточных сигналов (кодовых комбинаций или символов):
однократная передача избыточных кодовых комбинаций;
передача избыточных комбинаций заданное число раз или до правильного результата.
По первому способу неизбыточные сигналы могут передаваться определенное число раз или циклически. В любом случае на приемном конце решение о значении сигнала должно быть принято на основе оценки суммы п отсчетов смеси сигнала а и помехи, т.е. если в приемник поступают,
, , ,…, , тогда
.
Таким образом, п-кратное повторение сигнала приводит к увеличению его энергии в п раз, а среднее значение случайной помехи с ростом п стремится к нулю. Отсюда следует, что изменением числа повторений можно добиться любой помехоустойчивости.
При втором способе, при однократной передаче, в зависимости от числа избыточных элементов в кодовой комбинации приемник может обнаружить или обнаружить и исправить ошибку, т.е. постоянная избыточность сложного сигнала определяет его помехоустойчивость. Если есть возможность использовать обратную связь между приемником и передатчиком, то по третьему способу можно добиться более высокой эффективности и помехоустойчивости передачи, чем в предыдущем случае.
В зависимости от того, где принимается решение о правильном приеме, различают системы с решающей обратной связью (РОС) и с информационной обратной связью (ИОС).
В системах с РОС решение о значении сигнала выносит приемник и по каналу обратной связи подает сигнал подтверждения (квитирования), а при обнаружении ошибки требует повторения передачи.
В системах с ИОС приемник является пассивным, а принятый сигнал (в прямом или инверсном виде) возвращается по обратному каналу к передатчику, который сравнивает его и принимает решение об исполнении или повторе сигнала.
При использовании РОС или ИОС избыточность в сигналах оказывается меньше, чем в корректирующих кодах.
На электрифицированных линиях железных дорог в каналах систем ДЦ могут действовать гармонические помехи, сосредоточенные по спектру. Защита от их действия особенно актуальна на участках с электротягой на переменном токе.
В современных компьютерных системах ДЦ помехоустойчивость при действии гармонических помех может быть повышена следующими способами:
применением режекторных фильтров, настроенных на сосредоточенные помехи и уменьшающих их влияние на приемник;
использованием шумоподобных сигналов (ШПС), представляющих собой цифровые последовательности определенной длины, перемножаемые с информационными сигналами для введения избыточности и искусственного расширения полосы частот информационного цифрового сигнала. В этом случае применение на приеме метода ШОУ и обратное преобразование ШПС позволяют получить требуемую достоверность информации.
2. Способы повышения достоверности передачи и приема сообщений
При передаче телемеханических сигналов под воздействием мешающих факторов (помехи, неисправности, изменение параметров и т.п.) происходят определенные изменения в форме и числе импульсов, ведущие к ошибкам в приеме. Для уменьшения общего числа ошибок, а иногда и для исключения ошибок определенного типа (чаще всего ) применяют различные меры.
Способы, связанные с повышением помехоустойчивости сигналов, были рассмотрены в п. 1. Остановимся на более важных дополнительных мероприятиях, уменьшающих вероятность исполнения искаженных телемеханических команд.
Любая защитная проверка на приемном конце может происходить только на основе контроля постоянных признаков получаемых сигналов. Такими признаками могут быть: число импульсов в спорадическом сигнале или цикле; число импульсов с определенными импульсными признаками; временные параметры отдельных импульсов и серии в целом; порядковый номер импульса с определенным признаком; правило чередования импульсов с определенными свойствами и т.д.
Нетрудно заметить, что некоторые проверки (например, число импульсов) могут быть реализованы в системах с неизбыточными сигналами, но большая часть возможна лишь при наличии избыточности в элементах сигнала или числе передач.
Сигнал построен по определенному правилу (коду) и содержит элементы, отражающие это правило. Проверяя эти правила, приемник может обнаружить искажения, а если избыточность, предусмотренная в системе сигналов, достаточна, то и исправить обнаруженные ошибки.
В спорадических системах телемеханики, используемых для диспетчеризации железнодорожного транспорта, обязательными являются проверки следующих постоянных признаков: общего числа импульсов сигнала (числовая защита); числа импульсов с активным качеством (защита по качеству); временных параметров сигнала (контроль непрерывности сигнала).
Устройства, выполняющие этот контроль, исключают возможность реализации искаженных сообщений.
Обычно указанные защиты реализуются следующим образом. Демодулятор содержит элементы, определяющие длительность импульсов и их чередование. При перерыве в поступлении импульсов контрольная схема приводит приемные устройства (чаще всего приемный регистр и распределитель) в исходное состояние.
Распределитель ведет отсчет числа поступивших импульсов сигнала, и если их число отличается от установленного, блокируются цепи переноса информации из приемного регистра в дешифратор комбинаций и реализации не происходит.
Защита по числу импульсов с активным качеством проводится в дешифраторах комбинаций, так как по своему назначению эти узлы проверяют комплектность кода, т.е. соотношения 0 и 1 в принятом сообщении.
В циклических системах телемеханики, используемых на железнодорожном транспорте, избыточность в элементах сигналов минимальна или отсутствует, так как это системы с распределительной селекцией. Однако время существования ошибки в приеме ограничено длительностью цикла, и поэтому даже при отсутствии защитных проверок последствия от ошибок в таких системах значительно меньше, чем в спорадических.
Обычными для циклических систем являются проверки синфазного окончания цикла и длительности цикла.
В системах ДЦ «Нева» и «Луч» используются стартовые и стоповые импульсы для групповых сигналов, передаваемых циклически. Это позволяет контролировать в демодуляторе непрерывность группового сигнала ТС.
Наиболее важные защитные проверки в циклических системах телемеханики осуществляются на основе сравнения периодически поступающих неизбыточных сигналов. В этом случае реализация команд должна происходить с запаздыванием на время накопления сигналов для сравнения. Изменяя число циклов, необходимых для принятия решения о сигнале на основе накопленной совокупности, можно обеспечить любую степень достоверности в приеме. Нетрудно заметить, что нужный результат достигается на основе избыточной передачи неизбыточных сигналов, т.е. это другой вид избыточности в представлении сигнала.
Однако в циклических системах с распределительной селекцией возможно также использование избыточных временных позиций для дублирования передаваемых сигналов. В этом случае в каждом цикле работы устройств можно сравнивать информацию по временным каналам.
Дублирование сигналов по разным каналам иногда удобнее проводить в прямом и инверсном значениях, например информацию о состоянии двухпозиционного объекта передавать по двум каналам в виде 01 и 10. Такая корреляция сигналов в разных каналах увеличивает возможности обнаружения искажений при приеме, позволяет контролировать исправность общих узлов системы.
Важной особенностью циклических систем телемеханики является возможность проверки исправного состояния всех узлов, участвующих в передаче и приеме сообщений, в каждом цикле.
Системы с использованием обратного канала связи для организации защитных проверок представляют собой альтернативу избыточности передаваемых сигналов.
При наличии обратной связи могут использоваться неизбыточные коды или коды с минимальной избыточностью, что значительно упрощает устройства и повышает эффективность передачи.
В системах с РОС при посимвольном приеме демодулятор прямого канала должен выдавать сигнал на двухпороговое решающее устройство, принимающее решение в соответствии с правилом:
-- принят ;
-- принят ;
-- решение не принято,
где: -- напряжение на входе решающего устройства; и -- пороговые напряжения решающего устройства ().
Если решение не принято (сигнал попал в зону «стирания»), формируется служебный сигнал переспроса, передаваемый по обратному каналу. В ответ на этот сигнал проводится повторение непринятого ранее символа. Этот процесс заканчивается с принятием решения, система переходит к передаче других символов.
Если в системе с РОС код имеет хотя бы минимальную избыточность, позволяющую обнаруживать одиночные ошибки, решение о переспросе целесообразно принимать после дешифрации комбинации, т.е. на выходе ДШК. В этом случае повторение запрашивается, если ДШК отнес комбинацию к неразрешенным.
В системах с ИОС решение о реализации принятого сообщения принимается на передающей стороне на основе сравнения переданного сообщения с информацией о нем, поступившей по обратному каналу. Реализация разрешается специальным сигналом подтверждения, передаваемым по прямому каналу.
Информационные сообщения, поступающие по обратному каналу, часто называют «квитанциями», поэтому такие системы иногда определяют как системы с квитированием.
Сравнительный анализ по достоверности систем с РОС и ИОС показывает:
при симметричных каналах прямой и обратной связей с одинаковым уровнем помех системы РОС и ИОС обеспечивают одинаковую достоверность;
при слабых помехах в канале обратной связи системы с ИОС имеют более высокую достоверность, чем с РОС;
при сильных помехах в обратном канале системы с РОС обеспечивают более высокую достоверность;
при сильных помехах в прямом и обратном каналах с образованием пачек ошибок более высокую достоверность обеспечивают системы с ИОС.
В современных системах передачи данных и компьютерных ДЦ обратная связь обязательно используется в том или ином виде.
Наибольшее распространение получили процедуры с переспросом, т.е. системы с РОС, поскольку в этом случае обратный канал используется более эффективно. Каждому сообщению, передаваемому в виде информационного кадра,
приписывается порядковый номер и вместе с другой служебной информацией организуется кодовая комбинация помехоустойчивого (n, k)-кода.
Если при декодировании на приемной стороне обнаруживается неисправляемая ошибка, информационный кадр стирается и по обратному каналу подается сигнал переспроса для повторной передачи этого кадра.
