Научные разработки систем связи научной школы РЭИС ЖС для КВ-диапазона
По заказу ОАО «Российский институт мощного радиостроения» были проведены многолетние исследования в интересах совершенствования и развития характеристик коротковолновой радиосвязи. Исследования проводились под руководством проф. К.В.Зайченко по различным направлениям. В частности, были разработаны методики, алгоритмические и программные средства, обеспечивающие контроль и оценку характеристик передатчика, определяющие внеполосный спектр излучения и степень искажения информационного сигнала при его работе в стандарте DRM с сигналами в различных классах излучения. Для оценки искажения информационного сигнала использовался коэффициент ошибки модуляции (в англоязычных источниках – modulation error ratio, MER).
Для определения коэффициента ошибок модуляции по результатам измерений в системах с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) использовалось выражение
,
где N – число позиций КАМ, Ii, Qi – измеренные амплитуды синфазной и квадратурной составляющих сигнала, 
– расчетные амплитуды синфазной и квадратурной составляющих для принятого сигнала.
Для определения начала символа использовалась оценка максимального правдоподобия
где r ( k ) – отсчеты сигнала, L – длительность защитного интервала, N – длительность полезной (ортогональной) части символа.
|
|
|
Для расчета MER необходимо выполнить частичную демодуляцию сигнала DRM. Схема обработки данных приведена на рис. 1.
Рис. .1 Схема обработки данных
Разработаны алгоритм и программа для расчета этого коэффициента и для визуализации сигнального созвездия символов при квадратурно-амплитудной модуляции (КАМ). При этом сигнальные созвездия и параметры принятого сигнала выводятся в дополнительном окне (см. рис. 2)
Рис.2. Окно измерений
Кроме того было проведено исследование возможностей кодового разделения каналов (КРК) с использованием псевдослучайных последовательностей, что находит все большее применения в системах подвижной связи, в том числе, и в коротковолновой радиосвязи. Сущность множественного (многостанционного) доступа с кодовым разделением (МДКР) каналов или CDMA (Code Division Multiple Access) состоит в том, что все станции ведут передачу одновременно и в общей полосе частот, разделение же сигналов на приеме осуществляется благодаря их различиям по форме (рис. 3). Для создания этих различий на каждой станции в передаваемый сигнал вводится кодовая ПСП, в результате чего спектр сигнала расширяется.
|
| Рис. 3. Упрощенная структурная схема системы связи с кодовым разделением каналов |
Коды, генерируемые на передаче и приеме, должны совпадать. Кроме того, код, вырабатываемый на приеме, должен быть синхронизирован с принимаемым сигналом. Используемые при МДКР коды должны обеспечивать хорошую разделимость сигналов на приеме, основанную на их ортогональности. Большое значение коэффициента взаимной корреляции приводит к взаимным помехам, что ухудшает качество передачи.
|
|
|
Основным условием разделимости канальных сигналов является ортогональность применяемых адресных последовательностей. Существует множество систем ортогональных функций. Для синхронных систем с КРК широкое применение нашли функции Уолша, а для асинхронных – коды Голда и Касари. Наименьшее значение взаимных (системных) помех дают сигналы в синхронных системах. В связи с этим для КВ-диапазона целесообразно выбирать синхронный режим на основе функций Уолша. Для их генерирования можно использовать матрицу Адамара или систему упорядочения Уолша-Паули.
Процедура поиска ортогональных хаотических несущих может быть описана следующим алгоритмом (рис. 4).
Рис. 4.- Алгоритм поиска семейства ортогональных хаотических несущих
|
|
|
Формирование группового сигнала при КРК может осуществляться методами линейного и нелинейного суммирования. Линейные методы алгебраического суммирования позволяют получить наилучшие ортогональные свойства канальных сигналов и максимальную частотную эффективность системы с КРК. Следует иметь в виду, что выходной сигнал имеет сложную многоуровневую структуру, следствием которой является увеличение значения пик-фактора, что приводит к снижению энергетической эффективности системы. Частично можно уменьшить пик-фактор группового сигнала путем применения многопозиционной фазовой модуляции. Однако при большом числе позиций (больше 4) резкие скачки фазы приводят к появлению паразитной амплитудной модуляции в приемном тракте, что снижает качество связи. Среди нелинейных методов наибольшее применение нашел метод мажоритарного сложения канальных сигналов. Результирующим сигналом в процессе суммирования является двухуровневый (бинарный) групповой сигнал, который имеет небольшой пик-фактор, а следовательно, система будет обладать хорошей энергетической эффективностью. Уплотнение сигналов на передающей стороне осуществляется путем мажоритарного суммирования функций Уолша, проманипулированных информационным потоком. Выделение канальных сигналов из результирующего потока осуществляется в корреляторе, состоящем из перемножителя и интегратора или сумматора-накопителя. Помехоустойчивость системы с мажоритарным суммированием функций Уолша ниже, чем при алгебраическом, хотя она и обладает некоторым запасом. Распознавание символов зависит от количества одновременно излучаемых канальных сигналов и будет верным до тех пор, пока не изменится знак коэффициента корреляции. Так при 8-элементной функции Уолша система способна «исправлять» один сбой на кодовую последовательность из 8 символов.
|
|
|
Кроме того, была исследована возможность использования динамических хаотических сигналов для создания защищенных систем КВ-радиосвязи. Исследования показали, что система передачи данных в КВ-радиоканале с использованием фазовой модуляции гармонического колебания хаотической последовательностью превосходит аналогичную систему, основанную на использовании двоичных последовательностей максимальной длины. Однако такой сигнал обладает значительно большим пик-фактором, чем его аналог, основанный на псевдослучайной последовательности.
Ещё одно направление исследований – разработка алгоритмов оценивания характеристик КВ-радиоканала, в том числе, при использовании в качестве канала связи для решения задач экстремальной медицины в интересах создания высокоскоростных модемов. Наиболее перспективными сигналами, которые могут быть использованы в качестве тестовых, на сегодня представляются сигналы, модулированные псевдослучайными двоичными последовательностями максимальной длины или М-последовательностями. Спектр М-последовательности в пределах полосы частот, отведенной для связи, может быть достигнут сколь угодно близким к равномерному. Значительный интерес для практики представляет предложенный принцип измерения огибающая принятого сигнала (ОСП), поскольку он позволяет формировать нё оценку при неточной тактической синхронизации. ОСП может быть смоделирована с использованием различных законов распределения, каждый из которых может быть наиболее близким к условиям распространения в КВ-радиоканале в различные интервалы времени. Так как никаких априорных данных о текущем состоянии радиоканала не существует, то предлагается в процессе ведения связи рассматривать все возможные гипотезы о различных законах замирания. Для этого в режиме реального времени предлагается осуществлять оценку параметров распределения для всех законов, предусмотренных в системе, затем экстраполировать значения огибающей сигнала и сравнивать дисперсии ошибки предсказания, полученные при использовании различных законов распределения. При проведении моделирования были предусмотрены два возможных закона – Райса и Накагами. Результаты серии вычислительных экспериментов показали, что с высокой степенью точности предложенный алгоритм определяет тот закон замирания, который был в данный момент использован в системе, а оценки параметров распределения весьма близки к заданным.
Был предложен способ оценивания степени многолучевости канала связи, основанный на нахождении его импульсной характеристики. Задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений. Матрица системы – вещественная, симметричная и положительно определённая, поэтому для её решения можно применить экономичный метод квадратного корня, сущность которого состоит в разложении матрицы системы в виде произведения треугольной матрицы на транспонированную к ней. Решение системы линейных алгебраических уравнений сводится к последовательному решению двух систем с треугольными матрицами, которые легко решаются методом прогонки. Проведенное имитационное моделирование высокоскоростного модема, в котором были использованы все рассмотренные алгоритмы показало, что использование предложенных решений позволяет достичь технической скорости 9600 бит/с при вероятности ошибки на бит в канале связи не более 10-6.
При исследованиях способов анализа и синтеза многомерных сигнальных конструкций в интересах создания высокоскоростных адаптивных КВ-радиолиний рассматривались двумерные сигнальные конструкции и проведился их анализ. Наиболее широко использующимся видом модуляции в существующих на сегодня в системах передачи данных по КВ-радиоканалу является фазовая модуляция. Этому способствует как и простота реализации таких систем, так и высокая помехоустойчивость такого рода сигналов. В реальных системах связи сигналы фазовой модуляции максимальное количество позиций фаз не должно превышать 32. Дальнейшее увеличение числа позиций фаз с учетом возможностей современных каналообразующих средств нецелесообразно. Поэтому в последние годы появился интерес к использованию в системах передачи данных других, потенциально перспективных, видов модуляции. Одним из таких видов модуляции является амплитудно-фазовая модуляция (АФМ). В целом, с ростом количества сигнальных точек сложность задачи построения такого рода сигнальных конструкций значительно возрастает, однако достигаемый эффект незначителен. Более перспективными с этой точки зрения являются сигналы квадратурно-амплитудной модуляции и гексагональные (ГЕКС) сигналы. Теоретические исследования показывают, что КАМ-сигналы обладают большим энергетическим преимуществом по сравнению с сигналами с фазовой модуляцией (ФМ). Проведенный анализ показал, что гексагональные решетки являются оптимальными только асимптотически и указываемая в литературе плотность упаковки в реальных условиях недостижима.
Кроме того,были рассмотрены многомерные сигнальные конструкции, созданные на основе описанных ранее их двумерныхразновидностей, и способы их приема. При наличии точно установленной тактовой синхронизации способы приема всех описанных сигнальных конструкций схожи и не имеют принципиальных различий. Проведенный анализ многомерных сигнальных конструкций показал, что при низких отношениях сигнал/шум сигналы с фазовой модуляцией превосходят все другие рассмотренные виды сигналов. При высоких же отношениях сигнал/шум сигналы с амплитудно-фазовой модуляцией имеют энергетическое преимущество по сравнению с фазоманипулированными сигналами. В свою очередь, сигналы с квадратурно-амплитудной модуляцией превосходят оба указанных вида модуляции. Сигналы, построенные на основе гексагональной решетки, оказались несколько хуже, так как обладают двумя существенными недостатками, невозможностью конструирования для них кода Грея с расстоянием 1 между соседними сигнальными точками и неплотной структурой сигнального пространства на границах окружности, соответствующей максимальной мощности передатчика. Кроме того, необходимо отметить, что при работе в реальных КВ-радиоканалах возникают дополнительные сложные задачи системного уровня, неточное решение которых может существенно сказаться на эффективности применения АФМ, КАМ и ГЕКС сигналов. Дело в том, что КВ-радиоканал характеризуется наличием в нем быстрых и медленных замираний, поэтому задача разделения амплитудных уровней принятого сигнала является весьма нетривиальной. Для ее решения в системах передачи данных применяют периодическую вставку в поток передаваемой информации тестовых групп посылок, на которых отсутствует амплитудная составляющая модуляции, что приводит к значительному снижению информационной скорости. Ошибка в определении ожидаемых уровней амплитуды приводит к возникновению серий ошибочно демодулированных бит. Квазипериод быстрых замираний в КВ-радиоканале может иметь значения порядка единиц-десятков миллисекунд. Вэтом случае решение задачи своевременного оценивания амплитудных уровней становится невозможным. На основании изложенного, можно сделать вывод, что применение АФМ, КАМ и ГЕКС сигналов возможно только в очень «хороших» каналах связи, т.е. при отсутствии в них быстрых замираний и при наличии высокого отношения сигнал/помеха. В связи с этим сигнальные конструкции такого рода целесообразно вводить в состав системы передачи данных как отдельный режим, переход в который осуществляется только при наличии «хорошего» канала. Кроме того, в системе должна быть обеспечена возможность быстрого и точного оценивания характеристик канала связи и распознавание тех состояний канала, при которых целесообразен переход в указанные режимы, что чрезвычайно важно, в частности, при реализации радиоканала для экстремальной медицины.
Литература
1. Краснова А.И. Прикладная информатика в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП и в научных исследованиях по вторичной обработке биоэлектрических сигналов. / А.И. Краснова // Настоящий сборник.
2. Кулыгина Л.А. Радиоэлектронные и биотехнические технологии в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП и в научных исследованиях по адаптивной первичной обработке биоэлектрических сигналов. / Л.А. Кулыгина // Настоящий сборник.
3. Леванов В.М. Основы аппаратно-программного обеспечения телемедицинских услуг. / О.В. Переведенцев, О.И. Орлов. – М.: Слово, 2006. http://www.telemed.ru/ .
4. Зайченко К.В. Проблемы передачи информации в экстремальной телемедицине./ К.В.Зайченко// Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе. XI Международная конференция молодых ученых. Украина, Крым, Ялта-Гурзуф. 25.05-4.06.2013. - С. 258-259.
Краткие сведения об авторах
Михайлов Виктор Федорович д-р. техн. наук, профессор, kvz_41@aanet.ru, 197110, Санкт-Петербург, Чкаловский пр., д. 16, кв. 82. 8(812) 4947024, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67, 8(911)9668188.
Author’s data
Mikhilov Victor Fedorovich doctor of technical science, professor, kvz_41@aanet.ru, 197110, Saint-Petersburg, Chkalovcy, 16, 82. 8(812)4947024, Saint-Petersburg, B. Morskya, 67, 8(911)9668188.
[*] (нс) – настоящий сборник
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 58; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!