Повышение достоверности передачи информации в радиолиниях коротковолновой радиосвязи на основе применения эффективных сигнально-кодовых конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Котенко, Олег Олегович

• Котенко, Олег Олегович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Котенко, Олег Олегович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ СУЩЕСТУЮЩИХ СИСТЕМ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ

1.1. Анализ условий функционирования коротковолновых радиолиний

1.2. Основные показатели качества системы

1.2.1. Удельные показатели эффективности Сандерса

1.2.2. Процедура сравнения и выбора необходимых систем

1.3. Анализ требований к современным системам коротковолновой радиосвязи

1.4. Анализ существующих сигнально-кодовых конструкций, используемых в современных системах КВ связи и рекомендованных международными стандартами

1.4.1. Анализ сигнально-кодовых конструкций, применяемых в существующих комплексах КВ радиосвязи

1.4.1.1. Используемые в современных КВ системах виды манипуляции

1.4.1.2. Используемые в современных системах КВ связи виды помехоустойчивого кодирования

1.4.1.3. Виды сигнальных созвездий, позволяющих повысить помехоустойчивость канала связи

1.4.2. Сигнальные конструкции, рекомендованные международными стандартами

1.4.3. Сигнальные конструкции, используемые в современных российских комплексах коротковолновой радиосвязи

1.5. Анализ путей повышения достоверности передачи информации по КВ радиолиниям

1.6. Постановка задачи исследования

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОЛИНИЙ

2.1. Исследование вариантов взаимного обмена ресурсов радиолинии для обеспечения требуемой достоверности передачи информации

2.1.1. Обеспечение требуемой достоверности за счет выбора метода модуляции сигнала в СКК

2.1.1.1. Без изменения метода модуляции в радиолиниях

2.1.1.2. Выбор более эффективного метода модуляции

2.1.2. Обеспечение требуемой достоверности за счет выбора метода помехоустойчивого кодирования

2.1.3. Метод поиска сигнально-кодовых конструкций

2.2. Выбор метода модуляции

2.3. Исследование параметров помехоустойчивости КВ радиолинии при использовании помехоустойчивого кодирования

2.3.1. Недостатки аналитической оценки помехоустойчивости радиолиний, использующих помехоустойчивое кодирование

2.3.2. Оценка помехоустойчивости радиолиний использующих помехоустойчивые коды с помощью имитационной модели

2.3.2.1. Экспериментальное исследование параметров сверточных кодеров и перемежителей

2.3.2.2. Экспериментальное исследования помехоустойчивости сигналов СКК в зависимости от длины пакета ошибок

2.3.2.3. Оценка помехоустойчивости радиолинии при использовании ПК Рида-Соломона

2.3.2.4. Сравнительный анализ помехоустойчивости радиолиний,

использующих предложенные и стандартные помехоустойчивые коды

2.3.2.5. Помехоустойчивость КВ радиолинии при использовании сигнала КИМ16 - КАМ4/ЧМ4 и каскадного кода

2.3.3. Построение графиков зависимости помехоустойчивости радиолиний от скоростей используемых помехоустойчивых кодов

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЛИНИЯХ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ

3.1. Методика обеспечения требуемой достоверности радиолиний коротковолновой радиосвязи за счет использования эффективных СКК

3.1.1. Экспериментальная оценка помехоустойчивости системы КВ радиосвязи

3.1.1.1 Определение объёма данных, необходимых для проведения физического эксперимента

3.1.1.2 Тестирование канала связи

3.1.1.3 Обработка результатов физического эксперимента

3.1.2. Выбор метода модуляции

3.1.3. Определение необходимых корректирующей способности кода и размеров перемежителя

3.1.4. Определение скорости помехоустойчивого кода и скорости передачи информации при его применении

3.1.5. Проверка адекватности выбранной СКК

3.2. Пример расчета радиолиний по приведенной комплексной методике

3.2.1. Определение исходных данных

3.2.2. Определение объёма данных, необходимых для проведения физического эксперимента

3.2.3. Физический эксперимент

3.2.4. Обработка результатов физического эксперимента

3.2.4.1. Выбор метода модуляции

3.2.4.2. Структурирование принятых и переданных массивов данных

3.2.4.3. Нахождение числа ошибок, содержащихся во всех блоках с ошибками фиксированной кратности

3.2.5. Определение требуемой корректирующей способности помехоустойчивого кода

3.2.6. Определение скорости помехоустойчивого кода и скорости передачи информации при его применении

4. ИМИТАЦИОНАЯ МОДЕЛЬ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОЛИНИИ

4.1. Цели и особенности моделирования

4.2. Особенности применяемых помехоустойчивых кодов в стандарте MIL-STD-188-110В

4.3. Разработка программно реализуемой имитационной модели радиолинии

4.4. Результаты исследований, подтверждающие адекватность работы имитационной модели

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ

164

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение достоверности передачи информации в радиолиниях коротковолновой радиосвязи на основе применения эффективных сигнально-кодовых конструкций»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

Системы телекоммуникаций государства, в том числе и системы связи Вооруженных сил, являются основой системы государственного управления, уровень их развития определяет степень оборонной готовности страны.

К преимуществам коротковолновой (КВ) радиосвязи следует отнести оперативность установления прямой связи на большие расстояния, простоту организации радиосвязи с подвижными объектами, возможность обеспечения связи с объектами в труднодоступных районах. Высокая мобильность средств КВ радиосвязи, быстрая восстанавливаемость связи в случае нарушения в результате воздействия как случайных, так и преднамеренных помех, а также в условиях экстремальных ситуаций делают эту связь единственно возможной.

Особое значение приобретает КВ радиосвязь в чрезвычайных ситуациях в мирное время при организации и проведении аварийно-спасательных работ, координации действий, различных организаций и служб в районах стихийных бедствий (землетрясений, наводнений, крупных снежных и селевых лавин на промышленные и жилые районы).

Одновременно КВ связи присущи и такие недостатки, как возможное резкое затухание сигнала на трассе радиосвязи, различный характер замирания сигнала, ограниченная емкость используемого диапазона частот. Качество связи существенно зависит также от времени суток, года и состояния ионосферы. Кроме того, системы КВ радиосвязи характеризуются чувствительностью к случайным и преднамеренным помехам. Распространение радиоволн КВ диапазона на трассах большой протяженности (1500—4000 км), как правило, является многолучевым. Это приводит к изменениям глубины и частоты интерференционных замираний в точке приема, которые в основном и определяют качество радиоканалов, ограничивая скорость и качество передачи сообщений по ним.

В зарубежной печати отмечается, что возрождение интереса к КВ связи в настоящее время объясняется еще и установленной в ходе исследований [56, 57]

уязвимостью в военное время спутниковых систем связи, получивших в 80-е годы весьма широкое распространение.

В начале 80-х годов в печати появились сообщения, свидетельствующие о возрождении интереса к цифровой КВ радиосвязи [56—60]. Этот интерес был вызван, прежде всего, тем, что в отличие от аналоговых сигналов цифровые сигналы позволяют значительно увеличить среднюю мощность передатчиков и повысить соотношение сигнал-помеха в точке приема, т. е. улучшить помехоустойчивость систем радиосвязи. Преимуществом цифровой радиосвязи является также отсутствие накоплений помех при ретрансляции в результате регенерации сигналов на линии связи, повышение надежности аппаратуры и возможность использования для обработки сигналов микропроцессорных устройств и ЭВМ.

В то же время специалистами отмечаются ограниченные возможности применения цифровых методов передачи в КВ диапазоне из-за специфических условий распространения радиоволн в этом диапазоне. Эта ограниченность проявляется, прежде всего, в предельно достижимых скоростях передачи дискретных сигналов, обусловленных многолучевостью и большим ослаблением энергии радиоволны на трассах радиосвязи.

В настоящее время к системам КВ радиосвязи со стороны пользователей и заказчиков предъявляются все новые требования. В особенности это касается радиотрасс большой протяженности, а также радиотрасс государственного масштаба, для осуществления связи по которым в качестве основных и резервных средств связи предусмотрены коротковолновые системы. При этом разработчикам необходимо учитывать особенности распространения радиоволн данного частотного диапазона 1,5-30 МГц.

Перспективные системы КВ радиосвязи должны обеспечивать в каждом

сеансе связи значение вероятности ошибки на бит рб = 10" 4.

Существующие системы КВ радиосвязи работают в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы, поскольку зафиксированы значения

выделенной ширины полосы частот (3,2 кГц) канала и мощности (1, 5, 10, 20 кВт) передатчика. При этом в силу непредсказуемости условий распространения радиоволн от сеанса к сеансу связи изменяется значение отношения сигнал/шум и в конкретном сеансе связи оно заранее не известно.

В результате существующие системы КВ радиосвязи обеспечивают

среднее значение вероятности ошибки на бит в течение суток р^ = 10" 2.

Таким образом, имеется противоречие между возможностями существующих систем КВ радиосвязи и предъявляемыми к ним требованиями по достоверности передачи информации.

Перспективным направлением повышения помехоустойчивости систем КВ радиосвязи условиях ограниченных энергетических и частотных ресурсов представляется поиск эффективных сигнально-кодовых конструкций (СКК).

Изложенное выше обусловило выбор объекта и предмета исследования.

Объект исследования - радиолинии коротковолновой связи.

Предметом являются методы передачи и приема информации по радиолиниям коротковолнового диапазона в условиях ограниченных частотных и энергетических ресурсов.

Анализ степени разработки темы диссертации в ранее выполненных работах показал, что вопросы поиска СКК в диссертационных работах, НИР отражались недостаточно полно и системно. Следует отметить, что во всех работах рассматривались отдельные сигнальные конструкции и различные конкретные помехоустойчивые коды, использование которых могло бы помочь справиться с возникшей проблемой. Однако методические рекомендаций по поиску и последующему выбору СКК в известных автору работах не отражались.

Целью диссертационного исследования является обеспечение требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям коротковолновой радиосвязи в условиях ограничений на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

Научная задача диссертационной работы заключается в повышении достоверности передачи информации в КВ радиолиниях в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы на основе адаптации к помеховой обстановке за счет применения эффективных СКК.

Практическая задача - обеспечение требуемой достоверности передачи информации в радиолиниях КВ диапазона при ограничениях на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

Решение научной и практической задачи осуществлено путем деления их на ряд частных задач, взаимосвязь которых определила структуру исследования.

Частные задачи исследования:

1. Разработка методики обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи информации по радиолиниям специальной КВ радиосвязи.

2. Разработка имитационной модели радиолинии специальной КВ радиосвязи с использованием помехоустойчивого кодирования.

3. Поиск новых СКК для радиолиний специальной КВ радиосвязи и оценка их потенциальной помехоустойчивости.

Методы исследования: в качестве основных методов исследования использовались анализ, синтез, методы математической статистики. Экспериментальное исследование проводилось путем имитационного моделирования работы КВ радиолинии в системе МАТЬАВ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов обеспечен непротиворечивостью результатов имитационного моделирования и результатов применения предлагаемой методики с известными теоретическими положениями.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

В первой главе проведен анализ условий функционирования современных существующих коротковолновых систем радиосвязи, требований, предъявляемым к этим системам, сигнально-кодовых конструкций, применяемых в комплексах КВ связи и приведена общая постановка задачи исследований.

Во второй главе произведено исследование вариантов взаимного обмена

ресурсов радиолинии для обеспечения требуемой достоверности информации,

произведен предварительный выбор сигналов и помехоустойчивых кодов для КВ

кам4

радиолинии, а также предложена новая сигнальная конструкция КИМ16- чм для КВ радиолиний.

В третьей главе представлена методика обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи информации по радиолиниям КВ радиосвязи.

Четвертая глава посвящена разработке имитационной модели радиолинии коротковолновой связи.

Научная новизна заключается в разработке новой методики выбора сигнально-кодовой конструкции, позволяющей обеспечить требуемую достоверность передачи информации по КВ радиоканалу.

Практическая значимость - обеспечивается требуемая достоверность передачи информации в радиолиниях КВ диапазона при ограничениях на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

На защиту выносятся следующие научные результаты диссертационной работы:

1. Методика обеспечения требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям, в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы.

2. Имитационная модель радиолинии, позволяющая оценивать потенциальную помехоустойчивость КВ радиолиний при использовании различных СКК.

3. Результаты оценивания помехоустойчивости радиолинии с СКК типа

КИМ16--^р /различные помехоустойчивые коды.

Основные результаты и положения диссертационной работы опубликованы в двух научных статьях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертации.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• научно-техническом совете (г. Санкт - Петербург, ОАО НПО Завод «Волна», 2011 г.);

• научно-техническом совете (г. Санкт - Петербург, НТИ ОАО «Радиосвязь», 2012 г.);

• объединенном научно-техническом совете оборонного комплекса промышленных предприятий холдинговой компании «ЭГО -Холдинг» (г. Санкт - Петербург, ЗАО ПКБ «РИО», 2013 г.);

• научно-техническом совете (г. Санкт - Петербург, ЗАО ПКБ «РИО», 2013 г.).

Реализация и внедрение результатов работы.

Практические результаты диссертационной работы использовались в ОКР «Булат - ПУР - АУС» ОАО НПО Завод «Волна», ОКР «ПДРЦ - 3,4» НТИ ОАО «Радиосвязь», ОКР «Микстура» ОАО НПО Завод «Волна».

Радиосвязь в КВ диапазоне позволяет предоставить мобильным абонентам цифровые каналы при использовании оборудования с небольшими массогабаритными и энергетическими характеристиками. В отличие от радиорелейных (РРЛ) и спутниковых сетей связи, которые служат альтернативным вариантом для обеспечения связи мобильным абонентам, КВ радиосвязь не требует использования ретрансляторов (наземного и космического базирования).

РРЛ и спутниковые системы связи использовать выгоднее с экономической точки зрения только в тех случаях, когда требуется организовать несколько сотен или тысяч телефонных каналов. Однако когда большого количества каналов не требуется, эффективно использовать КВ радиосвязь. Это, в первую очередь, организация связи с труднодоступными регионами, геологическими партиями, с экспедициями при чрезвычайных ситуациях, в военных и силовых структурах и т.п.

Коротковолновой диапазон используется для любительской, персональной и служебной радиосвязи, а также для международного радиовещания.

Коротковолновый радиоканал является эффективным средством решения проблем связи на дальние расстояния. Он позволяет обеспечить радиообмен на трассах, значительно превышающих пределы прямой видимости, благодаря свойству коротких волн отражаться от верхних слоев атмосферы. Помимо этого, КВ-радиосвязь остается независимой от оборудования «третьей стороны». Под третьей стороной будем понимать оборудование систем связи, не принадлежащее тому или иному ведомству, а в более широком смысле - принадлежащее другому государству. Часто такая ситуация встречается в спутниковых системах связи, когда стволы спутниковых ретрансляторов арендуются российскими ведомствами по тем или иным причинам.

Увеличение объема передаваемых данных, ужесточение требования к достоверности передаваемой информации, уменьшение свободного частотного

ресурса заставляет использовать каналы, ранее считавшиеся непригодными для своевременной и помехоустойчивой передачи данных [21].

Эти и другие особенности коротковолнового диапазона делают КВ связь привлекательной при решении военных задач. Помимо этого системы КВ радиосвязи возможно использовать совместно с другими средствами передачи информации, такими как - спутниковые системы связи, мобильные системы связи и д.р.

Особенно важно данное направление для силовых министерств и ведомств.

В основе средств цифровой радиосвязи лежат высокоскоростные процессоры и специальное программное обеспечение позволяющее реализовать основные алгоритмы цифрового представления передаваемой информации ее кодирования, фильтрации, модуляции и демодуляции, хранению и представлению на терминал должностного лица в требуемом виде.

В различных ведомствах системы коротковолновой радиосвязи строятся в соответствии с решаемыми задачами и нагрузкой, накладываемыми ограничениями и требованиями. Она может включать в себя следующие элементы: центр коммутации / маршрутизации; базовые станции; диспетчерские пульты; центр управления системой; шлюзы в другие сети; серверы приложений и

др.

Когда абонентские пункты удалены от узлового центра на расстояния, более одного ионосферного скачка, система КВ связи состоит из: центровых разнесенных передающего и приемного центров, единого абонентского пункта. Центровая передающая система связи представляет собой: антенные решетки, антенно-фидерные лини, предающая аппаратура связи. Мощность центровых передатчиков варьируется 20-100 кВт. Центровая приемная система связи: приемные антенны, антенно-фидерные линии, приемообрабатывающая аппаратура (а также коммутационный центр, центр уплотнения, линий связи, по средствам которых информация поступает в аналитический центр - входящих в состав системы связи ведомства).

Передача информации в КВ диапазоне осуществляется двумя способами. Либо в околоземном пространстве, то есть в пределах прямой видимости друг другом приемной и передающей антеннами, около 50 км. В этих случаях возможна скорость порядка 9600 бит/с. Либо скачками, то есть посредством переотражения от ионосферы и земной поверхности. Естественно, что в данном случае радиоволны подвержены затуханию в слоях ионосферы, поглощению со стороны почвы и другим видам помех. Помимо этого наблюдается многолучевое распространение радиоволн. На многоскачковых трассах связи с абонентами, находящимися на других континентах, скорость передачи данных составляет не более 200-400 бит/с.

В работе в дальнейшем будут рассматриваться системы связи, удовлетворяющие требованиям по связи с объектами на расстояниях, превышающих расстояние одного ионосферного скачка. Это актуально для пользователей, поддерживающих связь на территории всей Российской Федерации и использующих КВ радиосвязь в качестве основного или резервного вида связи.

1.2. Основные показатели качества системы

Как и в любой другой системе связи, в коротковолновой системе радиосвязи для оценки ее качества используются различные показатели качества. Среди них можно выделить следующие виды показателей качества:

1) Точность передачи первичных сигналов.

2) Дальность действия.

3) Разрешающая способность системы передачи информации (СПИ) -возможность функционирования при мешающем воздействии других радиоэлектронных систем с близкими характеристиками сигналов.

4) Помехоустойчивость - способность СПИ выполнять свои функции при мешающем воздействии помех, а конкретнее - устойчивость систем по отношению к неорганизованным помехам. Устойчивость же по отношению к организованным (преднамеренным) помехам - это помехозащищенность.

поскольку устойчивость демодуляторов к ним главным образом определяется селективностью фильтра основной селекции.

В качестве таковых показателей используются удельные энергетические показатели Сандерса.

1.2.1. Удельные показатели эффективности Сандерса

1) Удельные энергетические затраты на передачу - удельный расход энергии:

п2 _ Еь _ Ps£b _ _Ps_ п 2)

Р N0 N0 R*N0' ^ ' '

где Eb - средняя мощность сигнала, затрачиваемая на передачу одного символа; Ps - средняя мощность сигнала на входе приемника.

В выше приведенной формуле показано, как можно перейти от энергии к мощности - т.е. получается удельный расход мощности. При этом нужно учитывать, что вероятность ошибки на бит постоянна: pb = const.

Таким образом, это отношение энергии, затрачиваемой на передачу одного бита сообщения, к спектральной плотности НБШ, при заданном значении вероятности ошибки. Чем меньше эта величина, тем меньший энергетический потенциал радиолинии требуется для передачи сообщений с заданной скоростью и достоверностью. Виды модуляции с низкими значениями /?2 принято относить к классу энергетически эффективных.

2) Показатель удельных затрат полосы пропускания:

ccH=f, (1.3)

где Д/н- необходимая полоса пропускания системы - минимально необходимая полоса, которая требуется для передачи сигнала без искажений по каналу связи;

3) Удельный расход занимаемой полосы частот:

(1.4)

где Д/зан - занимаемая полоса - полоса, которую занимает сигнал при передачи информации;

1.3. Анализ требований к современным системам коротковолновой

радиосвязи

Цель диссертационного исследования - обеспечение требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям коротковолновой радиосвязи в условиях ограничений на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум - должна быть достигнута при условии, что характеристики разрабатываемых методов передачи информации будут не хуже характеристик известных методов передачи информации, использующихся в современных зарубежных системах, соответствующих требованиям стандартов М1Ь-8ТО-188-110В [44], ЭТАКАв 4285 [49], 8ТАКАО 4539 [50], а также использующихся в лучших известных образцах отечественных КВ модемов последнего поколения.

Согласно стандарту М1Ь-8ТО-188-110В [44] от 2009 года КВ модемы должны обеспечивать режим работы с фиксированной частотой или с перестройкой по частоте. Минимально приемлемые скорости передачи данных: 75, 150, 300, 600, 1200, 2400 бит/с при использовании фазовой манипуляции с фиксированной частотой. Скорость 4800 бит/с не используется при скачкообразной перестройке по частоте. Соответствующие характеристики таковых модемов приведены в табл. 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Характеристики сигналов со скачкообразной перестройкой частоты

Информационная скорость, бит/с Скорость кодирования Канальная скорость, бит/с

2400 2/3 3600

1200 1/16 2400

600 1/2 1200

300 1/4 1200

150 1/8 1200

75 1/2 1200

Таблица 1.2

Характеристики сигналов с фиксированной частотой

Информационная скорость, бит/с Скорость кодирования Канальная скорость, бит/с

4800 - 4800

2400 1/2 4800

1200 1/2 2400

600 1/2 1200

300 1/4 1200

150 1/8 1200

75 1/2 150

Согласно этому стандарту вероятности ошибок на бит и соответствующие им отношения сигнал/шум, измеренные в полосе 3 кГц, приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Вероятность ошибки на бит в зависимости от отношения сигнал/шум

Отношение сигнал/шум в полосе 3 кГц, дБ Вероятность ошибки на бит

2400 бит/с 1200 бит/с

5 8.6 * Ю-2 6.4 * 10~2

10 3.5 * 10"2 4.4 * Ю-3

15 1.0 * Ю-2 3.4* 10"4

20 1.0 * 10"3 9.0 * 10~6

30 1.8* ИГ4 2.7 * 10~6

300 бит/с 75 бит/с

0 1.8 * Ю-2 4.4 * Ю-4

2 6.4 * 10"3 5.0 * 10"5

4 1.0 * 10"3 1.0 * Ю-6

6 5.0 * 10"5 1.0 * 10"6

8 1.5 * 10~6 1.0* 10~6

Данные о зависимости отношения сигнал/шум от скорости передачи информации в канале с НЫЛ приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Зависимость отношения сигнал/шум от скорости передачи информации при высокоскоростной передаче данных

Информационная скорость, бит/с Отношение сигнал/шум, дБ

12800 27

9600 21

8000 19

6400 16

4800 13

3200 9

К отечественным КВ модемам в настоящее время предъявляют следующие требования:

1. Используемый частотный диапазон: 1,5-30 МГц.

2. Передача речи на скоростях 2,4 - 4,8 кбит/с.

3. Обеспечение требуемой вероятности ошибки на бит не хуже рд = Ю-4 в каждом сеансе связи.

Указанные требования должны быть выполнены в условиях существенных ограничений:

1. Выделенная ширина полосы частот канала: 3,2 кГц.

2. Фиксированная мощность передатчика: 1,5, 10, 20 кВт.

3. Отношение сигнал/шум в сеансе связи зафиксировано (определяется фиксированной мощностью передатчика и мощностью шума).

4. Необходимо обеспечение преемственности вновь создаваемой аппаратуры с существующей.

1.4. Анализ существующих сигнально-кодовых конструкций, используемых в современных системах КВ связи и рекомендованных международными стандартами

1.4.1. Анализ сигнально-кодовых конструкций, применяемых в существующих комплексах КВ радиосвязи

В настоящее время используются комплексы КВ радиосвязи, значительно отличающиеся по своим характеристикам и по используемым в них видам сигнально-кодовых конструкций. Выбор сигнально-кодовой конструкции в современных передающих комплексах связи осуществляется программным способом из заранее определенного множества сигнально-кодовых конструкций, заложенных в память машины. Весь процесс автоматизирован. Оператору же лишь следует руководствоваться предписанными на момент выхода в эфир набором дежурных частот и скоростью передачи данных. Этот процесс также может осуществляться автоматически управляющим компьютером оператора в зависимости от помеховой обстановки на момент передачи, времени суток, а так же по итогам прохождения пилот-сигнала по каналу связи от источника к получателю и установлению синхронизации между работающими комплексами. Однако, на некоторых абонентских пунктах до сих пор используются комплексы старой техники, где все вышеперечисленные процессы оператору связи приходится осуществлять самостоятельно. На отдельных пунктах таковые комплексы являются резервными, на других - основными. В том и в другом случае старые комплексы связи нуждаются в доработке и в замене.

Под сигнально-кодовыми конструкциями понимается совместное использование избыточного кодирования, осуществляемого кодером канала, и методов модуляции (сигнальных конструкций), используемых модулятором при формировании радиосигналов. На рисунке 1.5 представлена обобщенная схема цифровой системы связи [25].

Символы От л руг их

сообщений источников,

Рис. 1.5. Обобщенная схема цифровой системы передачи информации

Приведенная выше схема решает задачу преобразования сообщения в сигнал при оптимальном согласовании его собственных характеристик с характеристиками канала связи. С этой целью необходимо произвести оптимизацию характеристик основных функциональных узлов данной схемы: кодера и декодера канала, а также модулятора и демодулятора, т.е. синтезировать сигнально-кодовые конструкции в соответствии с требованиями исследуемой предметной области.

1.4.1.1. Используемые в современных К В системах виды манипуляции

В современных модемах для коротковолновой радиосвязи применяют разновидности фазовой или частотной манипуляции, относящиеся к классу угловой модуляции. Поскольку речь идет о цифровой передаче данных, то подразумевается, что передаче подлежит не непрерывный модулирующий сигнал, а последовательность целых чисел п0П1 п2п3 .

Рис. 1.7. Относительный кодер для ОФМн, М-2

где bk— текущий символ сообщения; dk - текущий передаваемый символ;

dk.i- предыдущий символ последовательности, задержанный на длительность символа Ts в линии задержки.

Процедуру сравнения выполняет сумматор по mod 2 с инвертированным выходом, т.е.:

dk = bk + dk_(1.9) Таким образом, текущий символ сообщения сравнивается с предыдущим, и если они равны, то на выходе относительного кодера получается символ "1", в противном случае - символ "О".

Сдвиговая квадратурная фазовая манипуляция

Сдвиговая (офсетная) квадратурная фазовая манипуляция (СКФМн) применяется в целях уменьшения изменения значения огибающей сигнала с КФМн, которое обусловлено ограничением ширины полосы частот канала. Суть ее заключается в том, что вводят дополнительную задержку модулирующего

сигнала в квадратурном (^-канале по отношению к синфазному 1-каналу на половину длительности Тс символа (на длительность Ть одного бита). Благодаря этому исключаются изменения фазы на +л и остаются лишь изменения фазы на ±7г/2, причем изменения фазы происходят каждые Ть секунд.

Амплитудно-фазовая и квадратурная амплитудная манипуляция

У сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМн) и у сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМн) в отличие от ФМн сигналов изменяется не только фаза, но и амплитуда. В этом случае сигнальные точки размещаются в двумерном пространстве более рационально, при этом увеличение числа сигнальных точек не сопровождается резким сокращением минимального расстояния между ними. В этом случае снимается ограничение на то, что сигнальные точки должны располагаться либо на одной прямой, как при АМн, либо только на окружности, как при ФМн.

В общем случае сигналы с АФМн или с КАМн записываются в виде

5(0 = /(с) + (1.10)

Из этого выражения видно, что передаваемый сигнал состоит из двух квадратурных несущих СОБ^О)^) и 5т(о)с*:), модулированных по амплитуде многоуровневыми последовательностями /(£) и передаваемых символов. Геометрически такие сигналы представляются в виде двумерных сигнальных созвездий в двумерном пространстве сигналов.

При АФМн сигнальные точки располагаются на нескольких окружностях разного диаметра, при КАМн сигнальные точки располагаются в узлах прямоугольной решетки, как показано на рисунке 1.8.

#

• • • •

• ф

• • • •

а б в

Рис.1.8. Сигнальные созвездия для КАМн: а) КАМн8, б) КАМн16, в) КАМн32

Вариантов сигнальных созвездий КАМн может быть много. Расположение сигнальных точек в созвездии КАМн сигнала можно изменить путем соответствующего изменения начальной фазы каждого из передаваемых символов. В этом случае сигнальное созвездие повернется на определенный угол, в результате чего КАМн сигнал превратится в эквивалентный по помехоустойчивости АФМн сигнал.

Следует отметить, что энергетический выигрыш при использовании сигналов с КАМн по сравнению с использованием сигналов с ФМн увеличивается с ростом основания кода М. В табл. 1.5 приведены значения энергетического выигрыша (ЭВ), обеспечиваемого ансамблем КАМн сигналов по отношению к ансамблю сигналов ФМн сигналов для различных значений основания кода М.

Таблица 1.5

Энергетический выигрыш КАМн по сравнению с ФМн

м ЭВ, дБ

4 0

8 1,6

16 4,14

32 7,01

64 9,95

128 12,89

256 15,90

Частотная манипуляция

При частотной манипуляции (ЧМн) значениям «0» и «1» информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной манипуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала.

В простейшем случае для формирования частотно-манипулированных сигналов может быть использован набор из М генераторов гармонических сигналов, настроенных на соответствующие частоты и подключаемых к выходу модулятора с помощью аналогового коммутатора. Главным недостатком такой схемы формирования является большой уровень внеполосных излучений, вызванных «разрывами» фазы в моменты коммутации.

Структурная схема такого модулятора ЧМн сигналов представлена на рис.

1.9.

Рис. 1.9. Модулятор М-позиционных ЧМн сигналов

Последовательность многоосновных символов источника сообщений отображается в соответствующих сдвигах частоты несущего колебания. Многоосновный ЧМн сигнал можно представить в виде

5(0 = иТз * (.* - кТ5) * е^^кИ-кТз) # е)2яг0Ц-ктз)^ о < с < (1.11)

где с1к- случайная многоуровневая последовательность символов источника сообщения, принимающая значения из множества (2/ — 1 — М, I = 1 ,М\,

2/а - расстояние между соседними частотными позициями;

Г/т (0 - функция, описывающая форму модулирующего символа;

Т5 - длительность символа.

При прямоугольных модулирующих символах на -ом символьном интервале длительностью Т8 реализация передаваемого сигнала

- кТ5) = Асоз2п№ - кТ5),г < 0 < Т3; (1.12)

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Котенко, Олег Олегович

Выводы по главе 4:

1. Проведен анализ ограничений и особенностей моделирования, в результате которого выявлены требования к имитационной модели, обеспечивающие адекватность оценки потенциальной помехоустойчивости л| та * кам4 сигнала КИМ16 —и некоторых помехоустойчивых кодов.

2. Предложена общая структура имитационной модели, позволяющей осуществлять оценивание потенциальной помехоустойчивости СКК, использующихся в современных системах КВ радиосвязи и рекомендованных международными стандартами.

3. Предложенная имитационная модель реализована в виде программного комплекса на ПЭВМ и позволяет осуществлять имитационное моделирование:

• выполнение операций кодирования и декодирования в соответствии с форматом используемого кода;

• осуществлять оценку собственной потенциальной помехоустойчивости используемого в радиолинии сигнала и помехоустойчивость радиолинии в целом, с учётом использования помехоустойчивых кодов.

4. Анализ адекватности разработанной имитационной модели проводился путем сравнения ранее известных результатов, полученных аналитическим методами, с результатами, полученными с помощью имитационной модели. В результате сделан вывод об адекватности разработанной имитационной модели реальным процессам, что подтверждается совпадением полученных с помощью имитационной модели результатов с известными теоретическими положениями.

5. Разработанную имитационную модель радиолинии можно использовать для решения поставленных задач по оценке потенциальной помехоустойчивости радиолинии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований в диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача разработки по обеспечению достоверности передачи информации в КВ радиолиниях в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы на основе адаптации к помеховой обстановке за счет применения эффективных СКК

Получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Методика обеспечения требуемой достоверности передачи информации по радиолиниям КВ радиосвязи.

2. Программно реализованная модель радиолинии, позволяющая оценивать потенциальную помехоустойчивость КВ радиолинии при использовании помехоустойчивых кодов и перемежителей.

3. Полученные с помощью разработанной имитационной модели оценки помехоустойчивости коротковолновой радиолинии с сигналами

1УТЛЛД КАМ4

КИМ16- и различными помехоустойчивыми кодами, в том числе:

ЧМ4

- зависимости вероятностей ошибки на бит для КВ радиолинии от скорости используемых помехоустойчивых кодов при фиксированной мощности сигнала;

- зависимости вероятностей ошибки на бит от удельного расхода энергии в КВ радиолинии с сигналами КИМ16-^р в зависимости от длины пакета ошибок и используемого типа перемежителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Котенко, Олег Олегович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Березовский В.А., Дулькейт И.В., Савицкий O.K. Современная декамертовая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / Под ред. В.А. Березовского. - М.:Радиотехника, 2011. - 44 е.: ил.

2. Борисенков A.B. Оптимальная простраственно - временная обработка двоичных сигналов с межсимвольной нтерференцией при перемежении кодовых символов. // автореферат. Самара 2004. - С. 3-10.

3. Быховский М.А. Оценка вероятности ошибочного приема в многопозиционных системах связи // Труды НИИР, № 4, 1973.

4. Вернер М. Основы кодирования. Учебник для ВУЗов. М.: Техносфера, 2006. -288 с.

5. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегиин C.B. Системы и сети передачи информации. - М.: Радио и связь, 2001. - 336 е.: ил.

6. Гинзбург В.В. Многомерные сигналы для непрерывного канала // Проблемы передачи информации, № 1, 1981.

7. Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи / Под ред. профессора О.В. Головина - М.: Горячая линия -Телеком, 2006. - 598 е., ил

8. Гост 23611-79. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная, термины и определения. М.: Гос. Стандарт СССР, 1979.

9. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

10. ГОСТ 51820-2001 Государственный стандарт российской федерации устройства преобразования сигналов для радиоканалов тональной частоты. Типы, технические характеристики и параметры сопряжения.

11. ГОСТ Р 51820-2001 Устройства преобразования сигналов для радиоканалов тональной частоты.

12. Громов В. МРТ 1327 или TETRA: что выбрать? //Мобильные системы, 2000, №3, с. 17.

13. Гугалов К.Г., Любомудров Д.Ю. Новые возможности транкинговой связи.// Вестник связи, 1999, №1,с.27-28.

14. Зарубежная связь: Учеб. Пособие / Под ред. В.А. Григорьева. - СПб.: ВАС, 2004. 476 е.: ил.

15. Зюко А.Г., Кловский Д.Д„ Назаров Н.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов Изд.2-е перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1986.

16. Казанцев A.A. Исследование и разработка сигналов со многими несущими частотами для передачи цифровой информации по КВ каналу// автореферат. Ижевск 2007. - С. 3-7.

17. Кловский Д.Т. Теория передачи сигналов. - М.: Связь., 1973 - 376 с.

18. Ключко В.И., Березняков В.И. Применение свёрточных кодов для передачи информации: Учеб. пособие. Харьков .: ХВВКИУ, 1974.

19. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - Дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н., 1956 г. - 152 с.

20. Международный Союз Электросвязи. Регламент радиосвязи. Статьи. Издание 2004.

21. Михайлов A.C. «Измерение параметров ЭМС РЭС» - М. Связь 1980. - 200 с. Ил.

22. Надёжность и эффективность в технике .: Справочник в 10 томах/ Под ред. А.И. Рембезы, т.1. М.: Машиностроение, 1986.

23. Петров O.A. Помехоустойчивость и энергетическая эффективность систем цифровой связи с помехоустойчивым кодированием и многопозиционной модуляцией в многолучевом канале с замираниями. - Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., Самара, ПГАТИ, 2003, 175 с.

24. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Изд.2 - СПб: - Питер, 2007. - 751 е.: ил.

25. Скляр Берн. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с анг. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003.

26. Сытник Д.А. Применение ранговых кодов в системах связи с ортогональным частотным уплотнением. // автореферат. Москва 2005. С - 51

27. Урядников Ю.Ф. Теория помехозащищённых радиоканалов управления и связи: Учебное пособие. М.: МО СССР, 1991.

28. Федчун А.А, Способы формирования OFDM - радиосигнала./ Журнал радиоэлектроники - Электронный научный журнал, 2010. - № 1.

29. Финк М.М. Теория передачи дискретных сообщений. 2-е изд. - М.: Советское радио, 1970. - 728 с.

30. Шаптала B.C. Разработка и реализация алгоритма функционирования модема коротковолновой радиосвязи на цифровом процессоре обработки сигналов с фиксированной точкой. - Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., Санкт -Петербург, СПГУТ, 2003,156 с.

31. Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи: издание 2-е, испр. И доп.. - М.: Техносфера, 2006. - 288 с.

32. Янпурин Н.П., Баранов Н.В. «Основы надежности электронных средств»: учеб.пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. -240 с.

33. Bogousch R.L., Guigliano F.W. and Knepp D.L. Frequncy-Selective Scintillation Effects and Decision Feedback Equalization in High Data-Rate Satellite Links. Proceedings of the IEEE, vol 71, n. 6, June, 1983, pp. 754-767.

34. Cahn C.R., "Combinined Digital Phase and Amplitude Modulation Communication Systems", IRE Trans, CS-8, 1960, Sept.

35. Campopiano C.N. and Glazer B.G. A coherent Digital Amplitude and Phase modulation Scheme. IRE Trans. On Commun. Sys., vol. CS-10, June, 1962, pp. 90-95.

36. Darnell M. — 2 Int. Conf. Antennas and Propag., Heslington. 13—16 Apr., 1981, Pt. 2, London — New-York, 1981.

37. EARL McCUNE. Practical Digital Wireless Signals. The Cambridge RF and microwave engineering series. Cambridge University Press 2010.

38. Electronic Engineering, 1980. v. 52, N 644, p. 25. 116.

39. Fahy J. — Corn munica lions International, 1981, v. 7, N 12.

40. Feickert A., "The Joint Tactical Radio System (JTRS) and the Army's Future Combat System (FCS): Issues for Congress," in Library of Congress. Congressional Research Service., 2005.

41. Gallager A.G., "A Simple Derivation of the Coding Theorem and Some Applications", IEEE Trans, IT-11, 1965, Jan.

42. International defense review.— 1986,. N 3, p. 357.

43. Kurdziel M., Beane J., and Fitton J., "Ansca security supplement compliant radio architecture," in Military Communications Conference, 2005. MILCOM 2005. IEEE, pp. 2244 - 2250 Vol. 4, 17-20 2005.

44. MIL-STD-188-110B, "INTEROPERABILITY AND PERFORMANCE STANDARDS FOR DATA MODEMS", 27 APRIL 2009.

45. Nuttall A.H., " Error Probabilities for Equcorrelated M-ary Signals Under Phase-coherent and Phase-incoherent Reception", IRE Trans, IT-9, 1962, July.

46. Recommendation ITU-R F.763-5. Data transmission over HF circuits using phase shift keying or quadrature.

47. Renfree P. The U.S. navy returns to HF with STANAG 5066 as the path, Proc. MILCOM 2001, vol. 1, IEEE, McLean, VA, USA, pp. 471-476.

48. Smith J.G., "Odd - Bit Quadrature Amplitude Shift Keying, IEEE Trans, COM -23, 1975, pp. 561 - 580.

49. STANAG 4528 Characteristics of 1200/2400/3600 bits per second single tonemodulators/demodulators for HF radio links.

50. STANAG 4539. Technical standards for non-hopping HF communications waveforms.

51. STANAG 5066 (EDITION 2), PROFILE FOR HF RADIO DATA COMMUNICATIONS, 5 DECEMBER 2008.

52. Thomas C.M., Weidner M.Y. and Durrani S.H. Diggital Amplitude-Phase Keying with M-ary Alphabets. IEEE Trans. Commun., COM-22, n. 2, February, 1974, pp. 185- 192.

53. Thomson S.C, Proakis J.G, Zeidler J.R. Constant Envelope Binary OFDM Phase Modulation: Spectral Containtment, Signal Space Properties and Performance./ in Proc. IEEE MILCOM, Monterey, Nov. 2004.

54. Under J. — Elektrotechn. und Maschi-nenbau, 1987. v. 104, N 4.