Эффективность использования последовательных многопозиционных сигналов в информационных каналах связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.362

И. И. СЕМЕНОВ А. И. ТИХОНОВ

Омский НИИ приборостроения

Омский государственный технический университет

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ МНОГОПОЗИЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В ИНФОРМАЦИОННЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ

В статье обосновывается целесообразность применения последовательных многопоэи-ционных сигналов в информационных каналах, в частности, в радиолиниях коротковолновой (КВ) связи и высокочастотных (ВЧ) каналах по высоковольтным линиям (ВЛ). Доказано, что эффективность этих каналов достигается за счет оптимального выбора сигнально-кодовых конструкций и совершенствования методов их формирования и обработки. Приводится алгоритм оптимального помехозащищенного приема и структурная схема его практической реализации.

До настоящего времени эффективность функционирования всех линий связи, включая проводные, радиорелейные, радиолинии КВ связи и ВЧ связи по ВД, традиционно повышается за счет увеличения мощности передающего устройства, а также за счет сужения полосы частот, занимаемой сигналом, и повышения стабильности информационных частот. Утверждалось, что чем уже полоса частот, используемая для радиосвязи, тем свободнее от помех рабочий канал связи, тем надежнее работает линия радиосвязи. В основу данного обоснования ложилось то предположение, что с увеличением полосы пропускания приемного устройства возрастает общий уровень естественных и преднамеренных помех, воздействующих на вход приемника.

Однако в 1959 году Костас выступил со смелым предположением, ставившим под сомнение универсальность классического рецепта повышения надежности работы радиолиний. Он предложил, наоборот, не сужать, а искусственно расширять полосу частот, занятую каналом связи. В частности, для телеграфной связи рекомендовалась ширина спектра, равная нескольким сотням килогерц, то есть много больше той полосы частот, которая необходима.

При этом физическая сущность эффективности полученной широкополосной системы связи заключается в том, что полезный сигнал распределен («размазан») по широкой полосе частот, и если отдельные участки поражены мощными помехами, то в итоге энергия полезного сигнала практически не изменится. В условиях искусственно создаваемых помех широкополосные системы связи являются незаменимыми.

Теория информации полностью оправдывает целесообразность применения широкополосных сигналов (ШПС) в условиях сильных помех, частотного «голода», многолучевого распространения. Кроме того, при использовании ШПС достигается эффективная информационная защищенность калала, так как становится практически невозможным извлечь информацию из сигнала, если не известны данные о его структуре [1,2].

Важным достоинством широкополосной системы является также возможность приема ШПС, когда эти сигналы по уровню значительно ниже среднего уровня помех. Поэтому в условиях резко возросшей плотности радиопомех, особенно в декаметровом диапазоне (3-30 МГц), в котором на входе радиоприемных устройств могут наводиться радиопомехи до 100 В и выше [3, 4] обоснованно проявляется практический интерес к построению радиолиний с использованием ШПС [5]. Не в лучших условиях находятся ВЧ каналы связи по высоковольтным ЛЭП, в которых в широком спектре амплитуд и частот присутствуют сосредоточенные помехи от соседних ВЧ каналов ВА, радиостанций и каналов проводных воздушных линий связи, от коронирования линейных проводов и разрядов по поверхности изоляторов, а также от коммутационных операций в сети и атмосферных разрядов [6].

Поэтому в настоящее время разработка широкополосных систем в каналах радиосвязи и ВЧ каналах по ЛЭП является актуальной задачей. В пользу эффективности этих систем свидетельствует факт широкого использования ШПС в космических линиях радиосвязи.

Одной из первых широкополосных систем радиосвязи с ШПС является система «Rake» (1 ] для передачи телеграфных сигналов в КВ канале в условиях многолучевого распространения и случайных станционных помех, служащая примером практической реализации основных принципов использования ШПС.

В [1] отмечается, что используя в канале ШПС, можно успешно решать следующие задачи:

1. Получение высокой достоверности передачи цифровой информации в условиях многолучевого распространения сигналов;

2. Обеспечение высокой помехозащищенности к организованным помехам и возможность крипто-стойкой и имитостойкой передачи особо важной информации;

3. Эффективное использование выделенного диапазона частот при одновременной работе в этом диапазоне многих систем,то есть обеспечение электро-

магнитной совместимости, использующих один и тот же диапазон частот.

В этой же работе к ШПС сформулированы требования, основными из которых являются следующие:

1 ) иметь большую базу;

2) обладать хорошими корреляционными свойствами;

3) иметь сравнительно небольшой пикфактор, то есть обеспечивать хорошую «энергетику» излучаемого сигнала;

4) обеспечивать возможность воспроизведения в приемнике «образцов» используемых сигналов;

5) обеспечивать возможность четкой и надежной синхронизации в приемном устройстве.

Проведенные исследования [7] показали, что для частот KB диапазона оптимальными являются многопозиционные сигналы; последовательные многочастотные (ПМЧ) как простые (узкополосные), так и сложные (широкополосные) сигналы. При этом простые многопозиционные сигналы можно рассматривать как частный случай широкополосных ПМЧ сигналов, когда сигналы за их длительность излучаются на одной итойже j- й (J = 1,2,..., М) частоте, соответствующей к-му информационному символу (к = 1,2, ..., М).

В [8] произведена оценка эффективности формирования ПМЧ сигналов методом перестановок с псевдослучайным заполнением столбцевого латинского квадрата с индексом модуляции j = 0,5.

Такому требованию удовлетворяет латинский квадрат [8]. Будем называть латинский квадрат (матрицу) стандартным квадратом (матрицей), если его элементы {1,2,..., М} в первой строке и в первом столбце расположены в натуральном порядке.

Общее правило нахождения частотно-временной матрицы в стандартной форме, удовлетворяющей условию оптимальности, определяется выражением

Sij = ij[mod(M + i)]i (j)

где = 1,2, ...,М.

Таким образом, для повышения эффективности функционирования ВЧ радиоканалов рекомендуется использовать ПМЧ простые и широкополосные сигналы с индексом модуляции J=0,5.

В [8] показано, что переход от индекса модуляции J= 1 к индексу J= 0,5 практически не сказывае тся на ухудшении помехозащищенности приема, причем ПМЧ сигналы с J= 0,5 нечувствительны к когерентной помехе, что вместе с возможностью сужения полосы в 2 раза является их несомненным преимуществом (по отношению к ПМЧ сигналам с J= 1).

Передаваемый ПМЧ сигнал Sj(t), j = 1, 2, ..., M длительностью Т (0 < ( < Т) представляет собой набор из N элементарных гармонических колебаний (элементов) Srg{t):r= 1, 2,..., M, g= 1,2,..., N длительностью т (т = Г/N), излучаемых последовательно во времени на разных частотах frq ^frq < trq < + (М- 1)д/J с дискретным сдвигом (г-1)д/, г — 1,2, ...,М, д/ = 1/т — ширина спектра элемента относительно частот frq

Sj(0 = l_v\j.k)n[t - (<7-l№>lfrrg ~(r - l)A/]srg(f), (2)

где

Srq(f) = [(2Erq}/2 (rq (/) coscOj-gi + y rg (0 + <Pj (3)

В выражениях (2) и (3) обозначены:

(i[/,i] = J { — информационная модулирующая [0, j * к

функция, ставящая в соответствие к-му информационному символу (к = 1, 2,..., М) j-й ПМЧ сигнал Sj{t),j= 1,2.....М;

пЫ=(;- и фкЦ; -

1 [0, при других х I ' 1ч

единич-ная прямоугольная функция (временное окно дли-тельностью т ) и функция единичного отсчета (час-тоты).

Функция frq(t) соответствует огибающей и нормирована так, что излучаемая энергия элемента равна ETq. функция V/g(0 соответствует фазовой модуляции элемента и выбирается из условия непрерывности фазы ПМЧ сигнала, ®rq = 27t/rqr — частота элемента ПМЧ сигнала, <р — начальная фаза ПМЧ сигнала.

Структура ПМЧ сигнала Sj(t),j = 1,2.....Ai задается частотно-временной (ЧВ) матрицей размера AixJV, а смена элементов (частот) с индексами г {q — любое) (1 £ / <, М) осуществляется по закону псевдослучайной последовательности, одинаковому на передающей и приемной сторонах системы связи.

Помехозащищенный режим работы систем связи KB диапазона с ПМЧ сигналами необходим в условиях радиопротиводействия.

Если мешающее воздействие отсутствует, целесообразно использовать сигналы многопозиционной телеграфии (МЧТ), поскольку переход к ПМЧ сигналам в этих условиях не дает энергетического выигрыша. Поэтому наряду с широкополосным режимом работы приемник KB диапазона должен обеспечивать и узкополосный режим. Следует отметить, что переход от бинарных ЧТ сигналов к многопозиционным ПМЧ сигналам позволяет увеличить скорость передачи сообщений и эффективно бороться с мно-голучевостью.

Расчеты показывают, что переход от бинарных сигналов ЧТ (М = 2) к многопозиционным ПМЧ сигналам (основание кода М = 256) позволяет передавать сообщение со скоростью 500 бит/с при длительности посылки сигнала, равной Тс= 16 мс вместо Тг = = 2 мс при М~2. Это позволяет увеличить надежность связи с 0,4 до 0,9 за счет эффективной борьбы с многолучевостью (при Т"с= 16 многолучевость не сказывается на помехоустойчивости приема). При скорости передачи сообщения 1000 бит/с использованием сигналов ПМЧ с М = 256 (Гс= 8мс) также значительно увеличивается помехоустойчивость по сравнению с сигналами бинарной частотной манипуляции.

В этой связи следует особо подчеркнуть о целесообразности использования сигналов ПМЧ в системах связи по высоковольтным линиям электропередачи. В настоящее время ВЧ каналы связи по ВЛ являются основным средством связи в энергосистемах большинства стран. Их доля в общем объеме каналов связи энергосистем составляет не менее 43 %, причем, в ближайшем будущем их ведущая роль сохранится [11]. Поэтому повышение эффективности функционирования каналов ВЧ связи по ВА, связанное с усовершенствованием аппаратуры систем передачи информации по линиям электропередачи, является актуальной задачей, существенно увеличивающей надежность работы энергосистем в целом.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2 2 4 6 8 10 12 14 16 1 3 5 7 9 11 13 15

3 3 6 9 12 15 1 4 7 10 13 16 2 5 8 11 14

4 4 8 12 16 3 7 И 15 2 6 10 14 1 5 9 13

5 5 10 15 3 8 13 1 6 11 16 4 9 14 2 7 12

6 6 12 1 7 13 2 8 14 3 9 15 4 10 16 5 И

7 7 14 4 11 1 8 15 5 12 2 9 16 6 13 3 10

8 8 16 7 15 6 14 5 13 4 12 3 11 2 10 1 9

9 9 1 10 2 И 3 12 4 13 5 14 6 15 7 16 8

10 10 3 13 6 16 9 2 12 5 15 8 1 11 4 14 7

11 11 5 16 10 4 15 9 3 14 8 2 13 7 1 12 6

12 12 7 2 14 9 4 16 11 6 1 13 8 3 15 10 5

13 13 9 5 1 14 10 6 2 15 11 7 3 16 12 8 4

14 14 11 8 5 2 16 13 10 7 4 1 15 12 9 6 3

15 15 13 11 9 7 5 3 1 16 14 12 10 8 6 4 2

16 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

= ¡[тос1(М +1)] 1 < 1 < М , 1 ^ у < М 2, 3, 4 а = |з, 2, 4, 1 [1, 2, 3, 4 |2, 4, 3, 1 [1, 2, 3, 4 |2, 1, 4, 3

Р =

Тройка подстановок {а,р,у} - изотоп.

Каждая из подстановок {а,р,у} может быть выбрана М! способами.

N = (М/)'1 - изотопных операций.

Рис. 1. Частотно-временная матрица 16x16.

Согласно [6, 11 ] для частотно-манипулированных сигналов телемеханики, противоаварийной автоматики и релейной защиты, используемых в ВЧ каналах связи по ВЛ, характерны дискретные частоты многопозиционной (многочастотной) телеграфии (МЧТ) в низкочастотной области диапазона (27-50 Гц). В соответствии с терминологией [12] ПМЧ сигналы относятся к дискретно-частотным или дискретно-модулированным (манипулированным) сигналам. При этом несущие частоты ВЧ каналов распределены также в спектре низких частот (0,3-3,4 кГц) и в зависимости от применяемой аппаратуры преобразуются в спектр более высоких частот (168-1 ООО кГц).

Для передачи полной информации, включающей передачу данных контроля, сигнализации, телефонии и т.д., используются несколько модификаций аппаратуры с линейным спектром частот в диапазоне 6-140 кГц [11]. Таким образом, используемые сигналы ВЧ каналов связи по ВЛ наиболее эффективно могут преобразовываться и обрабатываться перспективными цифровыми методами. Как показано в работе [8], эти методы являются эффективными в информационных каналах связи сверхнизких и очень низких частот, включая как линии радиосвязи, так и линий ВЧ связи, осуществляемой по ЛЭП.

Таким образом, предлагаемые сигнально-кодовые конструкции (простые и сложные ПМЧ сигналы) позволяют значительно повысить эффективность функционирования систем радиосвязи КВ, СНЧ, ОНЧ диапазонов, а также систем ВЧ связи по ЛЭП.

На рисунке 1 приведена частотно-временная матрица 16x16, построенная по выражению 1.

Следует отметить, что два латинских квадрата порядка N изотопны или эквивалентны, если один из них трансформирован в другой перестановкой строк, столбцов и переименованием элементов внутри латинского квадрата. Перестановка строк, столбцов и переименование элементов называется методом изотопии. При такой перестановке существует (М!)3 изотопных операций. Следовательно, если в основу генерации псевдослучайных частотно-временных (ЧВ)

матриц положить метод изотопии некоторого латинского квадрата, то, например, при М= 16 имеется (16!)3~9-1039 вариантов ПС последовательности, которые при быстродействии современной супер ЭВМ в 6-1013 опер./с могут быть потреблены за9>1О10лет.

В [9] обоснован оптимальный алгоритм приема

где

Х(0 = иг(0+5,(0+1;(0=Ке[*(0].

I б Г

(4)

(5)

— реализация случайного процесса в виде смеси сигнала с узкополосными помехами и шумом ф); иг(0 — принятый полезный сигнал (г = 1,2,...); (() — совокупность узкополосных помех, действующих на г-й вариант принятого сигнала;

ф) — реализация аддитивной флюктуационной помехи, аппроксимируемой белым Гауссовым шумом; Т — длительность элемента сигнала. После дискретизации и квантования входную смесь (5) представим последовательностью комплексных чисел х(п)

Х(п)= 0Г(л)+5г(л)+£(п), nsN

(6)

где N = Т/Л1 = 2РС Г ;

д; — интервал дискретизации;

2РС — ширина полосы сигнала.

Особенностью алгоритма (4) является вычитание из принятой смеси оценки совокупности узкополосных помех (УП), что эквивалентно процедуре «обели-вания». Для формирования оценки УП используется входная последовательность в отсутствие сигнала. В случае флкжтуационного шума обучение может осуществляться и в присутствии сигнала, то есть по неклассифицированной обучающей выборке.

На рис. 2 приведена структурная схема, реализующая правило решения в соответствии с алгоритмом (4).

Линейная часть приемного тракта (УРЧ, цепи предварительной селекции, смеситель и фильтр основной селекции) обладает достаточным запасом линейности амплитудной и фазовой характеристик. Узкополосные помехи, амплитуды которых превышают динамический диапазон высокочастотных цепей (более 100 дБ) подавляются режектированием.

Из рисунка 2 видно, что обработка ПМЧ сигналов производится на промежуточной частоте и включает в себя процедуру дискретизации, выполняемую функциональным блоком «дискретизатор». В функции данного блока помимо обычной дискретизации с частотой 1д > 2/с входит функция разделения входной смеси х(() на квадратурные составляющие Х51л(()

И Х -СО5(0-

После квантования получаем числовые временные последовательности Х ял(|) и X-соб^) , то есть исходный комплексный сигнал.

Хл(п)= С/Г(п)+¿г(л)+4(п)| леЛ/- (7)

Далее комплексная смесь Хл(л) поступает на цифровой блок защиты от узкополосных помех, включающий в себя блок оценки совокупности узкополосных помех УП — ) на интервале обучения,

предшествующем периоду обработки сигнала.

Оценка помех определяется сверткой принятой смеси сигнала и помех и импульсной характеристики фильтра оценки комплекса помех по критерию максимума среднего квадрата ошибки ^(п)

5 (л) = УХ(А)ч/(п-А) (8)

т0 1

где х(к) — свертка принятой смеси сигнала и помех; у(п-к) — комплексная импульсная характеристика фильтра оценки помех в условиях отсутствия полезного сигнала.

Известно [10], что оптимальный критерий приема основан на сравнении вариантов многопозиционного сигнала с пороговой константой С. Здесь же получена

пороговая константа С как функция количества ветвей я? и уровня ау ложной тревоги, которая равна

С=4-<х1/^-1)]. (9)

Выражение (9) показывает, что пороговая константа зависит только от вероятности ложной тревоги, количества ветвей приема (числа позиций сигнала) и не зависит от интенсивности помех.

В настоящее время разрабатываются системы радиосвязи с ШПС для различных моделей сигналов и помех.

В качестве примера приведен сравнительный анализ ШПС, ПМЧ и ЧТ сигналов в канале с медленными замираниями и мощной узкополосной помехой. При этом имеем в виду, что за время сеанса связи состояние канала почти не меняется. Однако для различных сеансов связи это состояние может быть различным, меняясь от сеанса к сеансу случайным образом. Это означает, что медленные изменения среды распространения делают условия работы линии связи не стационарными.

Предварительный сравнительный анализ радиолиний с ПМЧ, ШПС и ЧТ сигналами при равных полосах частот, занимаемых сигналами, и равных мощностях проведен по коэффициенту помехозащищенности.

При этом предполагаем, что оптимальной стратегией с ПМЧ сигналами ППРЧ является случайная равномерная перестройка рабочей частоты, а стратегией постановщика помех — совокупность равномощных помех, излучаемых в течение передачи символа при равномерном и независимом законе смены частот.

Применим одиночную помеху с мощностью, значительно превышающую мощность сигнала на Тс. Постановщик помех может выбить одну из (М-1) позиций сигнала (многопозиционная система связи с равномерной расстановкой ортогональных сигналов в полосе частот, занимаемой системой), выбранных псевдослучайно из числа Ь частотных позиций с вероятностью

Х(0

Дискретизатор

АЦП -Х5т(пД1) Хсоз(пД0 АЦП ■

Блок защиты

Х$ш(п)

ХС05(П)

соя со,(

К+у;

<$Н1>|

а

/х; +У;

Выбор наибольшего сигнала

Блок Функция Пороговое

нормиро- -> преобразо- -» устрой-

вания вания ство

НрС —>

Н0<С

С = т 1 - а

[-»У*""0]

Блок оценки

Рис. 2. Структурная схема некогерентного инвариантного приемника. Алгоритм работы:

N I Яе 1=1

Хп {X 5ш(п), X С05(л)}, ¿2 (л) = I х(к) ■ ф(л - к),

где Х(к) - свертка принятой смеси сигнала и помех, <р(п)~ ИХ фильтра оценки комплекса помех.

М-1

(10)

где М — число позиций ПМЧ сигнала; I — выбитые позиции ПМЧ сигнала.

Забитие заключается в навязывании приемнику принять ошибочный символ из (М-1) позиций, по которым полезный сигнал не передается. При постановке помехи на частотной позиции излученного сигнала исход в виде забития или подчеркивания сигнала равновероятен в зависимости от разности фаз в точке приема.

Применение J помех позволяет навязать ошибку с вероятностью

р =у р. =

_ ¿{м-12

(11)

Находим количество одиночных помех J1 допустимых для работы с предельной вероятностью ошибки

Р =Р =

ош доп

3(М-\)

Из выражения (12) находим ЬР

J=-

(12)

(13)

(М-1)'

Коэффициент помехозащищенности определяется как отношение средних мощностей преднамеренной помехи к сигналу на входе устройства обработки сигнала (демодулятора), при котором обеспечивается заданная вероятность ошибки.

При этом коэффициент помехозащищенности ПМЧ сигналов с ППРЧ равен

К.

3 ППРЧ

(М-1)

(14).

Коэффициент помехозащищенности устройств обработки с широкополосными сигналами определяется

К

3 ШПС

ЛТр

(15)

где — полоса частот, занимаемая ШПС; Тс — длительность ШПС;

лтр - требуемое среднее отношение Рс / Рп, при котором обеспечивается ¡заданная вероятность ошибки.

Пример: Д5С = 1600 Гц, Рош = 0,15 , М = 16, Тс = 1с, 1600 0,15

К

3 ППРЧ

15

- = 16.

го устройства выигрыш системы связи с ШПС по сравнению с бинарными и ПМЧ сигналами значителен.

Следует отметить, что использование простых ПМЧ сигналов не позволяет реализовать когерентное сложение (сжатие сигнала), а возможно только накопление сигнала в пределах длительности одной частотной составляющей.

Выводы

1. Использование последовательных многопозиционных (ПМЧ) сложных сигналов с различным основанием кода для построения радиолиний КВ диапазона, а также линий ВЧ связи по ВЛ является эффективным способом повышения их функционирования в условиях сильных помех, частотного «голода» и многолучевого распространения сигналов и станционных помех.

2. Дальнейшие исследования необходимо направить на поиск эффективных способов построения помехозащищенных информационных каналов с ШПС и сравнительному анализу при построении линий связи с простыми сигналами (ЧТ, ФТ) и классическому применению ППРЧ.

Библиографический список

1. Петрович Н. Т., Размахнин Н. К. Системы связи с шумопо-добными сигналами. — М.: — Советское радио, 1969.

2. ДиксонР. К. Широкополосные системы связи. — М.: Связь, 1979.

3. Григорьев А. Г., Матисен А. И., ПатринВ. С. Защита радиоприема на судах от помех. — Д.: Судостроение, 1973.

4. КомаровичВ. Ф,, Сосунов В. Н Случайные радиопомехи и надежность связи. — М.: Связь, 1977.

5. Сахтеров В. И., Писарев Р. В., Лобзин В. В., Копейкин В. В., Резников А. Е., Железняков В. И., Швец Д. П. Коротковолновая широкополосная радиостанция «Ангара-5М», — Радиотехника и электроника, — том 47, — №9, — 2002.

6. Малышев А. И., Шкарин Ю. П. Специальные измерения высокочастотных каналов по линиям электропередач. — М.:Энерго-атомиэдат, 1990.

7. Отчет по НИР «Стандерс-02». - Омск: - 2003.

8. Пусь В. В. Теория и методы обработки последовательных многочастотных сигналов в системах связи сверхнизких и очень низких частот. Докторская диссертация. — Санкт-Петербург: 2001.

9. Костюкович А. Е. Исследование адаптивного цифрового метода приема сигналов в каналах со сосредоточенными помехами. Кандидатскаядиссертация. - Новосибирск: 1999.

10. Пусь В. В. Инвариантный прием многопоэиционных некогерентных сигналов, — Радиоэлектроника, — том 26, — № 12, -1983.

11. Ишкин В.Х., Цитвер И И. Высокочастотная связь по линиям электропередачи 330-750 кВ. - М.: Энергоиздат, 1981,

12. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. — М.: Радио и связь, 1985.

К

3 ШПС

л/1600 1 ^ 1600

, *ТР ) = 10

= 160

Кзчт= 0,9.

Этот пример говорит о том, что при одной и той же полосе частот, одной и той же мощности передающе-

СЕМЕНОВ Иван Иванович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ОНИИП. ТИХОНОВ Анатолий Иванович, кандидаттехничес-кихнаук, доцент кафедры ЭсПП, секция ПЭ Омского государственного технического университета.