Способ передачи данных по радиоканалу сверхширокополосным импульсным сигналом в космических системах связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

т

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ СИГНАЛОМ В КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

Рудько Александр Сергеевич,

к.т.н., преподаватель, ВА РВСН им. Петра Великого, Москва, Россия, alexrudko84@yandex.ru

Филатов Владимир Иванович,

к.т.н., доцент, МГТУ им.Н.Э.Баумана, Москва, Россия, vfil10@mail.ru

Немчанинов Александр Сергеевич,

адьюнкт, ВА РВСН им. Петра Великого, Москва, Россия

Определена структура сверхширокополосного импульсного сигнала. Такой сигнал позволит передавать информационные посылки с максимально скоростью в условиях частотных и мощностных ограничений, накладываемых Государственной комиссией по радиочастотам РФ, без учета межсимвольной интерференции. Показана возможность по практической реализации предложенной структуры. Известны работы Московского авиационного института, института Котельникова РАН, института Иоффе РАН, а так же ряда других учреждений, которые позволили существенно продвинуться в теоретическом обосновании принципов работы и практическом применении сверхширокополосных технологий. В настоящее время применяются несколько классов СШПС: сигналы без несущей - последовательности сверхширокополосных видеоимпульсов, сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием и сигналы с хаотической несущей. При этом, интересной видится задача, заключающаяся в определении структуры сверхширокополосного импульсного сигнала, которая позволит передавать информационные посылки с максимальной скоростью без межсимвольной интерференции в условиях ограничений, налагаемых ГКРЧ РФ.

Авторами предложен вариант структуры сверхширокополосного импульсного сигнала, который обладает важной особенностью - при применении для передачи данных балансной модуляции появляется возможность сформировать синхросигнал. Полученный суммарный сигнал, полученный путем формирования чередующейся последовательности нулей и единиц, представляет собой гармонический сигнал, по нулям которого можно осуществлять импульсную синхронизацию передатчика и приемника.

Полученные в ходе исследований результаты и проведенный анализ показали, что при использовании полосового фильтра начиная с 7-го порядка форма сигнала близка к теоретической. Структура модели и результаты моделирования наиболее применимы в области связи, а именно для организации по радиолиниям между различными маломощными и малогабаритными устройствами информационного обмена при решении задачи "последней мили". Отличительной особенностью результатов исследования является решенная задача обеспечения синхронизации приемника и передатчика при информационном обмене сверхширокополосными сигналами.

Для цитирования:

Рудько А.С., Филатов В.И., Немчанинов А.С. Способ передачи данных по радиоканалу сверхширокополосным импульсным сигналом в космических системах связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №2. С. 4-9.

For citation:

Rudko A.S., Philatov V.I., Nemchaninov A.S. (2017). A method of transmitting data on a radio channel ultra-wideband pulse signal in space communication systems . T-Comm, vol. 11, no.2, рр. 4-9. (in Russian)

T-Comm Том 11. #2-2017

Ключевые слова: cверхширокополосная система, межсимвольная интерференция, импульсный сигнал, электромагнитная совместимость.

Введение

Значительное увеличение применения беспроводных высокоскоростных технологий передачи данных привело к усугублению и без того серьезной проблемы - нехватки радиочастотного ресурса в освоенных диапазонах [3]. Освоение новых свободных частотных диапазонов требует развития и применения дорогостоящей элементной базы, что в ряде случаев экономически нецелесообразно. Внедрений технологий беспроводной связи в занятых диапазонах частот - актуальное направление развития современных радиосистем, а решение государственной комиссии но радиочастотам Российской Федерации (ГКРЧ РФ) № 09-05-02 от 19 марта 2009 года дало возможность безлицензионного применения в занятых диапазонах радиочастот маломощных беспроводных устройств, использующих сверхширокополосные сигналы (СШГ1С), Этим решением определен диапазон радиочастот - от 2,85 до 10,6 ГГц и ограничения на эквивалентную изотропно-излучаемую мощность. Мощностные ограничения указаны дифференцированно и при соблюдении наиболее жестких из них передатчик СШПС может работать в терминалах аэропортов, а так же в самолетах при взлете и посадке. Дня работы в подобных условиях также важно не излучать в полосе ниже 2,85 ГГц и выше 10,6 ГГц, и, при этом, максимально эффективно использовать выделенный частотно-временной ресурс.

Известны работы Московского авиационного института, института Котельникова РАН, института Иоффе РАН, а гак же ряда других учреждений, которые позволили су шест пенно продвинуться в теоретическом обосновании принципов работы и практическом применении сверхширокополосных технологий, II настоящее время применяются несколько классов СШПС: сигналы без несущей — последовательности сверх широкополосных видеоимпульсов, сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием и сигналы с хаотической несущей, С точки зрения скорости передачи информационных посылок наибольшим потенциалом обладают сигналы, относящиеся к первому классу, поскольку частотный диапазон может быть задействован полностью без разрывов, при этом форма спектра определяется элементарным коротким импульсом и имеется возможность применения когерентных систем [2].

Интересной видится задача, заключающаяся в определении структуры сверхширокополоспого импульсного сигнала, которая позволит передавать информационные посылки с максимальной скоростью без межсимвольной интерференции в условиях ограничений, налагаемых ГКРЧ РФ.

Рассмотрим идеальный случай и сформируем СШПС, имеющий равномерный спектр в полосе частот 2,85 - 10,6 ГГц и не имеющий частотных составляющих за пределами это полосы. Такой сигнал может быть получен путем передачи дельта-импульса через идеальный полосовой фильтр (ИПФ) с соответствующими частотами среза. Поскольку ИПФ является линейной системой, то для него применим принцип суперпозиции сигналов, и эквивалентной схемой такого фильтра будет являться схема, состояния из двух идеальных фильтров нижних частот (ИФНЧ) и вычитающего устройства (рис. !). Выходной сигнал во временной области в этом случае описываться выражением (1):

2/ 51п(2д"//) 2,/>т(2я-/„;) {])

2ф гаи

где /;. - частота среза ИФНЧ], Гц и — ИФНЧ; соответственно, Гц.

5(/) = -

1

ГГГц

*

За*

Л/)

ИФНЧ1

Гв

1 -

ИФНЧ2

&

Г ГГц

—1— —1-

Гн Гв

Ряс. 1. Эквивалентная схема идеального полосовою фильтра

Для подавляющего большинства сигналов, применяемых сегодня в сантиметровом диапазоне длин волн справедливо

соотношение /), где /е и /„ - максимальная и

/ н

минимальная частоты в спектре сигнала. Однако, если спектр сигнала будет занимать весь разрешенный решением ГКРЧ РФ диапазон от 2,85 до 10,6 ГГц, то это отношение составит = 3,72. Аналитическое моделирование

показало, что для подобных сигналов добиться периодической или квазипериодической передачи импульсов без межсимвольной интерференции можно только при целочисленном отношении частот среза. Условие /е//„ = 3 позволяет наиболее полно задействовать весь разрешенный диапазон радиочастот (от 3,5 до 10,5 ГГц).

Импульсная переходная функция идеального полосового фильтра с частотами среза от 3,5 и 10,5 ГГц приведена на рис. 2.

Анализ положения нулей ИПФ, приведенного на рис. 2, показал, что ¡гул и расположены не периодически, однако в их расположении есть закономерность и можно найти апериодическую структуру сигнала, при которой будут отсутствовать межеим вольные искажения. Искомая структура приведена на рис. 3. Как видно из рисунка, в определенные моменты времени переходные процессы от всех импульсов сводятся к нулю за исключением одного импульса, уровень которого максимален. Соответственно, анализируя уровень сигнала в этот момент времени, можно принять решение о наличии или отсутствии информационно посылки на этой позиции. При такой структуре сигнала скорость передачи информационных посылок составит V = 2А/', А/ = /в - /„■ Эта скорость соответствует максимальной скорости передачи информационных посылок для случая применения идеального фильтра нижних частот, описанного Г.11аквистом и В.Котелышковым.

Таким образом максимальная скорость передачи информационных посылок в условиях отсутствия межсимвольной интерференции и частотных ограничений, накладываемых ГКРЧ РФ составит V - 14Гпос/с. Мощностные ограничения приводят к необходимости передачи одного бита информации множеством посылок, количество которых зависит от расстояния между приемником и передатчиком и характеристик внешней среды [1].

I I л | > А ■ 1

1 /1 \ 5 АД \ : /\ X 1 • / \ !

ДЛ^.

\ у. 1 [] \ : ¡[^

\У

ч 1

43

411

о о 1

Эр?мп не

а)

02

0.4

Л5

Рис. 5. Формирование синхросигнала

Предложенная структура сверхширокополосного импульсного сигнала обладает важной особенностью - при применении для передачи данных балансной модуляции (рис. 4)

появляется возможность сформировать синхросигнал. Суммарный сигнал, полученный путем формирования чередующейся последовательности нулей и единиц (рис. 5а), представляет собой гармонический сигнал (рис. 56), по нулям которого можно осуществлять импульсную синхронизацию передатчика и приемника.

Рассмотрим возможности по практической реализации приведенной структуры сигнала. Проведем имитационное моделирование и разработаем модель в среде программирования ЬаЬ\Че\у. Модель состоит из генератора прямоугольных импульсов, дифференцирующей цепочки (ДЦ), полосового фильтра, блока преобразования Фурье и элементов отображения.

Генератор прямоугольных импульсов формирует сигнал, который подается на вход ДЦ, на выходе которой формируются короткие импульсы, соответствующие фронтам и спадам входных прямоугольных импульсов. Короткие импульсы проходят через полосовой фильтр. Полученный сигнал анализируется во временной и спектрально области.

Проведенный анализ показал, что при использовании полосового фильтра начиная с 7-го порядка форма сигнала близка к теоретической. Структура модели и результаты моделирования приведены на рис. 4.

Результаты исследования применяются в области связи, а именно для организации по радиолиниям между различными маломощными и малогабаритными устройствами информационного обмена при решении задачи «последней мили».

Отличительной особенностью результатов исследования является решенная задача обеспечения синхронизации

приемника и передатчика при информационном обмене сверх широкополосными сигналами.

Таким образом, сущность способа заключает в себе следующие особенности:

1. Применяются короткие сверх широкополосные импульсы, полученные при прохождении опорного сигнала через дифференциальные цепочки и полосовой фильтр высокого порядка;

2. Задается особая последовательность передачи импульсов (цикл) - передача двух импульсов, затем пауза на время передачи двух импульсов, затем цикл повторяется;

3, Используется балансная модуляция сверхширокополосного сигнала, при этом информация заложена в положительной или отрицательной полярности передаваемого импульса;

4, Периодически перелается чередующая последовательность нулей и единиц, служащая маркером, синхросигналом. Эта возможность вытекает из-за особого способа построения сигнала.

Рассмотренная модель сигнала позволила определить структуру сверхширокополосного импульсного сигнала, позволяющая передавать информационные посылки с высокой скоростью и без межсимвольной интерференции. При этом передатчик формирует импульсы по квазипериодическому циклу - передаются два импульса, потом следует пауза на время передачи двух импульсов, а затем цикл повторяется [5,6].

Сигнал на выходе передатчика формируется путем прохождения коротких импульсов, имеющих равномерный спектр в диапазоне частот от 3,5 и 10,5 ГГц и следующих по квази периодическому циклу, через полосовой фильтр.

Значение времени между соседними импульсами составляет 1/8^1, где/, = 3,5 ГГц - нижняя частота среза формирующего полосового фильтра передатчика.

7

Т-Сотт Vol.ll. #2-2017

3

Т-Сотт Том 11. #2-2017

щ

COMMUNICATIONS

A METHOD OF TRANSMITTING DATA ON A RADIO CHANNEL ULTRA-WIDEBAND PULSE SIGNAL IN SPACE COMMUNICATION SYSTEMS

Alexander S. Rudko, Moscow, Russia, alexrudko84@yandex.ru Vladimir I. Philatov, Moscow, Russia, vfil10@mail.ru Alexander S. Nemchaninov, Moscow, Russia

Abstract

The structure of ultra-wideband pulse signal. Such a signal allows you to transmit an information packet with a maximum speed in terms of frequency and power limitations imposed by the State Commission on radio frequencies of the RF, without taking into account intersymbol interference. The possibility for practical realization of the proposed structure. Works of the Moscow aviation institute, institute are known Kotelnikova of RAS, loffe's institute of RAS, and also some other institutions, which have allowed to progress in theoretical justification of the principles of work significantly and practical use of superbroadband technologies. Now several classes SShPS are applied: signals without bearing - the sequences superbroadband videopulses, signals with orthogonal frequency multiplexing and signals from chaotic bearing.

At the same time, the task consisting in definition of structure seems interesting superbroadband pulse signal which will allow to transfer information parcels with the maximum speed without intersymbolical interferences in the conditions of the restrictions imposed by GKRCh of the Russian Federation. In article authors have offered option of structure of a superbroadband pulse signal which has important feature - at application for data transmission of balance modulation there is an opportunity to create sinkhrosignat. The received total signal received by formation of the alternating sequence of zero and units represents a harmonious signal, on zero whichit is possible to carry out pulse synchronization of the transmitter and receiver.

The results received during the researches and the carried-out analysis have shown that when using the strip filter since the 7th order the form of a signal is close to theoretical. The structure of model and results of modeling are most applicable in the field of communication, namely for the organization for radio lines between various low-power and small-sized devices of information exchange at the solution of a problem of "the last mile". Distinctive feature of results of a research is the solved task ensuring synchronization of the receiver and the transmitter at information exchange superbroadband signals.

Keywords: ultra-wideband system; inter-symbol interference; pulse signal; electromagnetic compatibility.

References

1. Andrashitov D.S., Hil' S.Sh., Savilkin S.B. (2013). Ocenka parametrov formy informacionnogo soobshhenija na osnove sovmesh-hennogo s fizicheskimi principami sinteza. Vestnik MATI, no. 20(92), pp. 192-200. (in Russian)

2. Macykin S.V., Rud'ko A.S., Osipov V.V. (2013). Osobennosti raboty sverhshirokopolosnyh impul'snyh peredatchikov telekommu-nikacionnyh sistem v uslovijah chastotnyh ogranichenij, prinjatyh na territorii Rossijskoj Federacii. Vestnik MATI, no. 20(92), pp. 210-217. (in Russian)

3. Rud'ko A.S. Osobennosti razdelenija potokov dannyh na vedomom kosmicheskom apparate iz sostava gruppirovki MGKA (2011). Aktual'nye problem Rossijskoj kosmonavtiki. Trudy XXXV akademicheskih chtenij po kosmonavtike. Moscow: Komissija RAN. (in Russian)

4. Dmitriev V.V. Tehnologii peredachi informacii s ispol'zovaniem sverhshirokopolosnyh signalov (UWB) (2004). Komponenty i tehnologii, no.1. (in Russian)

5. Immoreev I., Sudakov A. Sverhshirokopolosnye i uzkopolosnye sistemy svjazi. Jelektronika (2003). Nauka, Tehnologija, Biznes. (in Russian)

6. Kardo-Sysoev A.F. Metody formirovanija signalov dlja ustrojstv sverhshirokopolosnoj svjazi (impul'snoe radio) (2003). Sbornik dokladov nauchnoj konferencii Sverhshirokopolosnye signaly v radiolokacii, svjazi i akustike. Murom. (in Russian)

Information about authors

Alexander S. Rudko, Military Academy of Strategic Missile Forces of Peter the Great (VA Strategic Missile Forces of Peter the Great), senior researcher, Ph.D., Moscow, Russia

Vladimir I. Philatov, Bauman MSTU, teacher, Ph.D, Moscow, Russia,

Alexander S. Nemchaninov, Military Academy of Strategic Missile Forces of Peter the Great (VA Strategic Missile Forces of Peter the Great), adjunct, Moscow, Russia

T-Comm Vol.11. #2-2017

7TT