Разнообразие, объединяющее

Комбинирование разнесенных сигналов — это метод, применяемый для объединения нескольких сигналов, полученных с помощью устройства разнесенного приема , в один улучшенный сигнал.

Различные техники

Можно выделить различные методы комбинирования разнообразия:

Объединение с равным усилением: все полученные сигналы суммируются когерентно.
Комбинирование с максимальным отношением ^[1] часто используется в больших системах с фазированной решеткой : полученные сигналы взвешиваются относительно их SNR , а затем суммируются. Результирующее SNR дает где — SNR принятого сигнала . $\sum _{k=1}^{N}SNR_{k}$ $SNR_{k}$ $к$
Switched combined: Приемник переключается на другой сигнал, когда текущий выбранный сигнал падает ниже предопределенного порога. Это также часто называют "Scanning Combining".
Выборочное комбинирование : Из N полученных сигналов выбирается самый сильный сигнал. Когда N сигналов независимы и распределены по закону Рэлея , ожидаемый выигрыш в разнесении , как было показано , составляет , выраженный как отношение мощностей. ^[2] Поэтому любой дополнительный выигрыш быстро уменьшается с увеличением числа каналов. Это более эффективный метод, чем коммутируемое комбинирование. $\sum _{k=1}^{N}{\frac {1}{k}}$

Иногда используется более одного метода комбинирования — например, при удачной визуализации используется выборочное комбинирование для выбора (обычно) 10% лучших изображений, после чего выполняется комбинирование выбранных изображений с равным усилением.

Другие методы комбинирования сигналов были разработаны для снижения шума и нашли применение в биофизике отдельных молекул , хемометрике и других дисциплинах. ^[3]

Синхронизация

Когда основное внимание уделяется беспроводной передаче более длинных последовательностей сигналов, таких как, например, пакеты Ethernet, можно наблюдать особые характеристики производительности относительно усиления разнесения в параллельной избыточной беспроводной системе передачи. Для «синхронизирующего объединения» пакеты данных избыточно и одновременно отправляются по параллельным путям. На принимающей стороне из ветвей выбирается первый поступивший пакет и немедленно обрабатывается в направлении конечного приложения. Дальнейшие копии пакета — если они поступают — отбрасываются. Этот тип постдетекторного объединителя называется «синхронизирующим объединением», поскольку значительное улучшение производительности достигается за счет немедленной обработки первого поступившего пакета. ^[4]

Пример коммутируемой комбинированной двухсторонней радиосвязи

В наземной мобильной радиосвязи , где установленные на транспортном средстве и ручные радиостанции связываются с базовой станцией радиосвязи на одной частоте, пространственное разнесение достигается за счет наличия нескольких приемников на разных участках. Объединение разнесенных сигналов, или голосование , в системах двусторонней радиосвязи является методом улучшения дальности связи от раций и мобильных радиостанций транспортного средства. ^[5]

Приемники подключаются к устройству, называемому компаратором голосования или избирателем.

Голосующий компаратор выполняет оценку всех полученных сигналов и выбирает наиболее пригодный для использования полученный сигнал. ^[6] В системах с ретрансляторами голосующий сигнал ретранслируется. В симплексных системах он поступает на консольный динамик на базовой станции. Звук с приемника, который не голосуется, игнорируется. Голосующие компараторы в аналоговых FM- системах могут переключаться между приемниками за десятые или сотые доли секунды (быстрее одного слога). Пока понятный сигнал достигает одного приемника в системе, повторный звук или звук, отправленный на консольный динамик, будет понятным.

В этой схеме приемники на удаленных объектах подключаются к компаратору голосования с помощью частных телефонных линий, канала в банке каналов D4 на DS1 или аналогового микроволнового канала основной полосы частот.

Как оцениваются сигналы

Самые ранние компараторы голосования полагались на тон, закодированный на отдельном аудиотракте, требуя, чтобы каждый приемник имел 4-проводную схему или два аудиотракта. Высота тона изменялась, чтобы отобразить уровень принятого сигнала или напряжение ограничителя FM-приемника на удаленном приемнике. Это работало плохо, поскольку не учитывало микроволновый шум основной полосы или шумные схемы телефонной компании.

Более новые компараторы для голосования сравнивают отношение сигнал/шум на компараторе для голосования, принимая во внимание сквозной шум, плохие телефонные линии, плохую дисциплину уровня, а также наилучший путь приема разнесенного сигнала.

Диапазон действия рации

При общении с помощью портативных радиостанций ( раций ) базовые станции обычно говорят дальше, чем могут принять. Голосование среди нескольких приемников на разных сайтах увеличивает вероятность того, что один из приемников получит полезный сигнал от двухсторонних радиостанций в системе.

Уменьшение помех

Комбинирование разнесения уменьшает один возможный отказ в одной точке: любой отказ одного приемника или локальные помехи для одного приемника не будут блокировать прием во всей системе. Места размещения оборудования могут содержать много радиопередатчиков и приемников. ^[7] Один сайт подвержен локальным, специфическим для этого сайта помехам. Эти помехи могут появляться и исчезать по мере включения и выключения передатчиков.

Потенциальная проблема с приемниками, расположенными на высокогорных приемных площадках, заключается в том, что они могут принимать сигналы из отдаленных округов, префектур или других провинций. Эти нежелательные, отдаленные сигналы могут быть сильнее желаемых сигналов от местных раций. ^[8] В некоторых случаях отдаленные сигналы могут блокировать слабые местные сигналы. Наличие нескольких приемных площадок увеличивает вероятность того, что одна из них примет местный сигнал при наличии далекого, нежелательного сигнала. ^[9] Избирательный вызов может избавить пользователей от необходимости прослушивать звук далеких сигналов, даже если далекие сигналы находятся в пределах диапазона приема одного или нескольких приемников.

Покрытие

В литературе указывается минимум 95% покрытия для критических или аварийных систем двусторонней радиосвязи. ^[10] Одним из определений покрытия системы является стандарт Ассоциации телекоммуникационной промышленности (TIA) TSB-88A. ^[11]

Возможность голосования с блокировкой или голосования с удержанием

Большинство установок, использующих оборудование для комбинирования разнесенных сигналов, постоянно оценивают наилучший полученный сигнал по сравнению со всеми другими сигналами. На протяжении всей длины полученной передачи компаратор может переключать приемники так часто, как каждые несколько десятых секунды. Когда пользователь рации вызывает затухание сигнала, поворачивая голову, или проезжающий тягач с прицепом блокирует их сигнал в выбранном месте приема, комбинированный блок быстро переключается на другой приемник. ^[12]

В некоторых установках оборудование для комбинирования разнесенных сигналов настроено на блокировку приемника. Например, в некоторых сельских, региональных системах покрытия каждый приемник охватывает уникальную географическую область. Нет большого перекрытия. Если бы система состояла из двух участков, северного и южного, она бы выбрала лучший из двух и оставалась бы заблокированной на этом приемнике до окончания передачи. ^[13] Это лучше работает с мобильными радиостанциями, поскольку их мощность сигнала, как правило, стабильна. ^[14]

В некоторых случаях этот метод «голосование и удержание» используется для управления выбором передатчика. Рассмотрим случай региональной системы с двумя базовыми станциями: северной и южной. Если оборудование для комбинирования разнесенных сигналов голосует «север», в следующий раз, когда диспетчер нажмет кнопку передачи, северный передатчик будет работать. Называемый управлением передатчиком , это должно автоматизировать выбор передатчика в системах, где доступно более одного места передатчика. В некоторых случаях это работает не очень хорошо. ^[15]

В мобильных системах передачи данных предпочтительнее вариант блокировки голосования, поскольку постоянное переключение между приемниками приводит к потере пакетов данных. Оборудование для комбинирования разнесенных сигналов переключается достаточно быстро, чтобы не терялись слоги, но недостаточно быстро, чтобы не терялись биты. Мобильные системы передачи данных обычно создаются с помощью модемов в мобильных радиостанциях. Мобильные радиостанции обычно передают сплошные сигналы в более чем одну принимающую сторону, поэтому уровень сигнала достаточно высок для эффективной работы блокировки голосования. ^[16]

Смотрите также

Ссылки

^ Кулкарни, М.; Чоудхари, Л.; Кумбхани, Б.; Кшетримаюм, Р. С. (2014). «Сравнение анализа производительности выбора передающей антенны с максимальным отношением комбинирования и ортогональными пространственно-временными блочными кодами в равнокоррелированных каналах с замиранием Рэлея с несколькими входами и несколькими выходами». IET Communications . 8 (10) (опубликовано 1 июля 2014 г.): 64–70. doi : 10.1049/iet-com.2013.1087 . S2CID 30676735.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Д. Г. Бреннан, «Линейные методы комбинирования разнообразия», Труды IRE , т. 47, № 1, стр. 1075–1102, июнь 1959 г.
^ "Mashaghi et al. Снижение шума путем комбинирования сигналов в пространстве Фурье, применяемое для коррекции дрейфа в оптических пинцетах, Rev. Sci. Instrum. 82, 115103 (2011)". Архивировано из оригинала 2012-05-03 . Получено 2011-11-08 .
^ Рентшлер, М.; Лаукеманн, П., «Анализ производительности параллельной избыточной беспроводной локальной сети», Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), 2012 IEEE 17-я конференция по , т., №, стр. 1,8, 17–21 сентября 2012 г.
^ Для подтверждения использования слова «голосование» для описания этого оборудования см. патенты Патентного ведомства США с идентификаторами 4531235 и 5884192 «Объединение разнесенных сигналов для антенн».
^ «Раздел V: Выводы», Проект исследований коммуникационных технологий дорожного патруля Калифорнии на частоте 800 МГц , 80-C477, ( Сакраменто, Калифорния : Департамент общих служб, Отдел коммуникационных технологий, 1982), стр. V-6.
^ Например, одно конкретное место расположения оборудования описывается как имеющее шесть базовых станций и много приемников. См.: "3.1.3 Draper Lake Radio Site," Trunked Radio System: Request For Proposals , ( Оклахома-Сити, Оклахома : Oklahoma City Municipal Facilities Authority, Public Safety Capital Projects Office, 2000) стр. 56.
^ Одно из правил заключается в том, что передатчик рации выдает на приемнике базовой станции сигнал, составляющий от одной десятой (-10 дБ) до одной сотой (-20 дБ) от уровня сигнала автомобильных радиостанций.
^ «Оценка региональных альтернатив: выбор места», Планирование экстренных медицинских коммуникаций: Том 2, Руководство по планированию на местном/региональном уровне , (Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление безопасностью движения на трассах, Министерство транспорта США, 1995) стр. 52-55.
^ «Оценка региональных альтернатив: выбор места», Планирование экстренных медицинских коммуникаций: Том 2, Руководство по планированию на местном/региональном уровне , (Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление безопасностью движения на трассах, Министерство транспорта США, 1995) стр. 52. Профессиональный консультант должен помочь в определении покрытия для инженерных систем, поскольку «95% покрытие» можно интерпретировать по-разному.
^ Определения покрытия для инженерных систем описаны в California EMS Communications Plan: Final Draft (Сакраменто, Калифорния: Управление EMS штата Калифорния, сентябрь 2000 г.) и в «Глоссарии» Arizona Phase II Final Report: Statewide Radio Interoperability Needs Assessment (Финикс, Аризона: Macro Corporation и штат Аризона, 2004 г.), стр. 165.
↑ Описание действующей системы см. в: «2.1 Мобильная радиосистема», Комитет по радиосвязи полиции Сан-Рафаэля: отчет мэру и городскому совету ( Сан-Рафаэль, Калифорния : Город Сан-Рафаэль, 1995), стр. 4.
^ Для обсуждения блокировки голосов по сравнению с обычным голосованием см.: "Section V: Conclusions," The California Highway Patrol Communications Technology Research Project on 800 MHz , 80-C477, ( Сакраменто, Калифорния : Департамент общих служб, Отдел коммуникационных технологий, 1982), стр. V-6. В отчете говорится, что Калифорнийский дорожный патруль не использует блокировку голосов в Лос-Анджелесе , очень перегруженной радиосреде. В некоторых условиях помех блокировка голосов может дать плохие результаты. Первый проголосованный сайт иногда не является лучшим сайтом. На некоторых сайтах повышенный уровень окружающего шума, из-за чего они постоянно голосуют последними, даже несмотря на то, что они производят немного лучший звук и их способность поддерживать путь к мобильному телефону в течение длительной передачи может быть лучше.
^ Экстремальный случай: одно исследование в Калифорнии описывает полевые испытания, где уровень принимаемого сигнала от 90-ваттной, 42 МГц мобильной радиостанции упал с 45 микровольт (устойчивый сигнал) до нуля за одну милю езды по дороге. См.: "Section II: Radio Propagation Studies," The California Highway Patrol Communications Technology Research Project on 800 MHz , 80-C477, (Сакраменто, Калифорния: Департамент общих служб, Отдел коммуникационных технологий, 1982,) стр. V-6.
^ Существование функции «голосование и удержание» и ее использование в управлении передатчиком можно подтвердить, прочитав «Раздел V: Выводы», Проект исследований коммуникационных технологий дорожного патруля Калифорнии на частоте 800 МГц , 80-C477, (Сакраменто, Калифорния: Департамент общих служб, Отдел коммуникационных технологий, 1982), стр. V-6.
^ В руководствах по эксплуатации оборудования для комбинирования разнесенных сигналов, предназначенного для использования с мобильными данными, это будет подробно описано.

Дальнейшее чтение

Л.-К. Линь, М. Го и К. Т. Вонг, «Двухветвевой выбор при беспроводном пространственно-разнесенном приеме: верхняя граница его выходной мощности», IEEE Transactions on Communications, т. 60, № 2, стр. 537-546, февраль 2012 г.