CC BY
355
УДК 621.396 Иванов А.П
ИМИТАТОР МНОГОЛУЧЕВОГО КАНАЛА СВЯЗИ
Аннотация: Изложен опыт построения имитатора многолучевого канала, обладающий приемлемой сложностью реализации. Имитатор позволяет моделировать все традиционно используемые характеристики распространения коротких волн, включая непреднамеренные и преднамеренные помехи.
Ключевые слова: имитатор многолучевого канала связи; доплеровское рассеяние; частотно-селективные замирания; модем.
Abstract: Here is stated the experience of creation of multipath channels simulator, which has comprehensible complexity of realization. Simulator allows to model all traditionally - used characteristics of HF waveforms spread, including deliberate and inadvertent hindrances.
Keywords: multipath channels simulator; Doppler spread; frequency-selective fading; modem.
Сокращение сроков и повышение эффективности разработки и проектирования аппаратуры передачи данных (АПД), в частности, модемов, представляет собой актуальную задачу в развитии современной техники телекоммуникаций. Одним из путей ее решения является внедрение и использование модельных экспериментов на этапах научно-исследовательских и опытноконструкторских работ и испытания АПД.
Среди возможных объектов моделирования особенно существенную роль играет канал связи. Моделирование канала связи делает возможными испытания различных реализаций АПД в условиях, максимально приближенных к реальным, обеспечивает разнообразные желаемые условия экспериментов и высокую воспроизводимость их результатов, а также позволяет сократить объем натурных испытаний опытных и серийных образцов АПД за счет замены их лабораторными испытаниями. Наиболее важно для практики моделирование многолучевых каналов с замираниями. Необходимость моделирования таких каналов обусловлена также и тем, что при сравнительных испытаниях различных вариантов АПД на реальных трассах невозможно получить одинаковые условия распространения и повторить сеанс связи с задаваемыми разработчиком условиями распространения.
Среди известных методов моделирования каналов связи [1] особый интерес представляет функциональное моделирование с использованием процессоров цифровой обработки сигналов, заключающееся в создании специализированных имитаторов каналов связи. Такие имитаторы легко сопрягаются с реальной аппаратурой, входящей в состав систем передачи данных, позволяют с высокой степенью точности моделировать сигнал на выходе канала связи, представляют собой ценное дополнение для решения комплекса задач, связанных с разработкой и отладкой алгоритмов работы модемов, а также протоколов передачи данных и систем маршрутизации.
На кафедре «Информационная безопасность систем и технологий» Пензенского государственного университета разработан имитатор коротковолнового (КВ) канала [2], который представляет собой техническое средство для ре-
шения комплекса задач связанных с разработкой, отладкой, исследованием и испытанием средств связи и защиты информации.
Если учитывать реальный механизм многолучевого распространения сигналов в средах со случайно изменяющимися физическими свойствами, то модель многолучевого канала связи можно записать в следующем виде:
N
y(t)=K{s(t)}+X(t)=£m (t)s(t - х.) +x(t), (1)
i= 1
где s(t) - сигнал на входе многолучевого канала связи;
K - это оператор, который отображает воздействие среды распространения вместе с антенными системами (собственно канала) на передаваемый сигнал s(t);
x(t) - аддитивная помеха;
i - номер луча распространения;
N - число лучей, формирующих выходной сигнал канала;
mi(t) - коэффициент передачи, характеризующий i-ый путь распространения;
Т - время запаздывания сигнала при распространении по i-му лучу.
Функции и коэффициенты, входящие в (1), являются действительными или комплексными. Первый случай обычно имеет место при анализе передачи на видеочастоте, второй случай - при анализе передачи на радиочастотах.
Канал, описываемый моделью (1), соответствует физически реальной многолучевой системе распространения сигналов в средах с многочисленными отражениями. Для КВ канала коэффициенты передачи m/(t) определяют преобразования сигнала при его отражениях от слоев ионосферы и земной поверхности.
Случайный характер всех указанных взаимодействий определяет случайное поведение функции m/(t) в выражении (1). Величины N и т также случайны и определяются конкретным состоянием среды распространения электромагнитных колебаний, протяженностью трассы, параметрами антенны и т.д. Следовательно, формирование математической модели многолучевого канала связи предполагает учет статистических характеристик этих величин, функций и процессов.
Исследования радиоканалов образованных в высокочастотном диапазоне привели к разработке математической модели КВ канала, которая получила название модели Ватерсона [3]. Данная модель закреплена в качестве стандарта для имитаторов подобных радиоканалов [4] и положена в основу разработанного имитатора.
В рамках модели Ватерсона коэффициенты передачи mi(t) можно рассматривать как стационарные случайные процессы. Проведенные исследования показали [5], что спектральные плотности коэффициентов передачи \mi(f)\ имеют многомодальный характер, что затрудняет их моделирование. В связи с этим в модели (1) можно предложить для описания динамических характеристик КВ канала по каждому лучу использовать следующее определение доплеровского рассеяния [2]:
D = 2*
5
J f2* \m( f )|2* df
0
4
J|m( f) * df
0
(2)
и сложную реальную характеристику mf заменить спектральной характеристикой легко реализуемого сигнала, при условии, что параметры DS для этих сигналов совпадают.
Для моделирования многолучевого канала, согласно (1), необходимо сформировать сигналы отдельных лучей с учетом наблюдающихся в таких каналах замираний, которые обусловлены случайными изменениями коэффициента передачи канала во времени в силу его физических свойств, внести в них соответствующие задержки и просуммировать.
Структурная схема имитатора, с помощью которой удобно проиллюстрировать сущность предлагаемого подхода имитации КВ канала связи, приведена на рисунке 1.
Рисунок 1
В связи с тем, что в сигнал должны быть внесены частотные и фазовые искажения, реально вносимые в радиотракте, низкочастотный сигнал должен быть преобразован в комплексный аналитический сигнал с односторонней спектральной плотностью. Это преобразование выполняется в блоке сдвига частот с помощью преобразования Г ильберта
К(*) = s(t) + J' ~(t),
где s(t) - входной сигнал имитатора;
~(t)- преобразование по Гильберту входного сигнала имитатора;
J - мнимая единица;
sa(t)- комплексный аналитический сигнал с односторонней спектральной
плотностью.
Затем в сигнал вводится частотное рассогласование путем умножения его на комплексную гармоническую функцию
•&сдв (t) = sa(t)
,У'2Р/сдв (t )t
Частотный сдвиг /сдв(ґ) состоит из двух слагаемых, первое из которых /рас не зависит от времени и определяется частотным расхождением задающих генераторов радиопередатчика и радиоприемника, второе слагаемое /дв(і) определяется взаимным движением радиосредств и может изменяться во времени. Таким образом,
•/сдв(і)=/рас+/цв(і),
где /дв(і) - ограниченная по амплитуде (|/дв(і)|<30 Гц), и по производной (/дв'(01<3 Гц/c), функция.
Далее комплексный аналитический сигнал ,&сдв (t) с внесенной в него частотной рассинхронизацией поступает на блок временного расхождения лучей, который задает временную задержку одного луча относительно другого. Сигналы, снимаемые с отводов линии задержки, имитируют поступающие по различным траекториям на приемную антенну копии сигнала. Каждый из этих сигналов умножается на соответствующий комплексный коэффициент передачи данного луча mг (t). Выходной сигнал с внесенной многолучевостью имеет
вид:
s (t) = Re
мн V '
N
Z mг (t)■ *&сдв (t - Tг )
. i=1
где N - количество имитируемых лучей;
тг- - задержка по г-му лучу;
m г (t) - комплексный коэффициент передачи г-го луча;
Re[] - оператор выделения реальной части.
На время проведения сеанса связи коэффициенты передачи {m. (t )}=1 можно рассматривать как стационарные случайные процессы и для описания динамических характеристик канала по каждому лучу можно использовать доплеровское рассеяние, согласно, (2).
В основу моделирования отдельного луча в имитаторе положено представление замирающего сигнала в случае передачи незатухающих колебаний в виде совокупности регулярной составляющей s(t) и мультипликативной помехи m(t). В векторной форме такой сигнал представлен на рисунке 2.
Под действием помехи m(t) сигнал s(t) меняет свою амплитуду и фазу. Амплитуда вектора помехи m(t) распределена по закону Релея, фаза - равномерно в интервале от 0 до 2p.
Спроектировав вектор m(t) на две ортогональные оси x и у, одна из которых совпадает по направлению с вектором s(t), получим два одномерных гауссовых процесса mx(t) и my(t), которые приводят к случайным изменениям амплитуды и фазы полезного сигнала.
В случае, если m(t)<<s(t), огибающая результирующего сигнала и фаза будут распределены по закону Г аусса. Исходя из этого и учитывая также, что ширина спектра, передаваемого по каналу сигнала, во много раз меньше часто-
ты несущей f - можно моделировать однолучевый сигнал путем комбинированной модуляции полезного сигнала s(t) по фазе и по амплитуде двумя независимыми случайными процессами mx(t) и my(t). Статистические характеристики процессов mx(t) и mv(t) должны быть одинаковыми.
В разработанном имитаторе КВ канала выбран метод генерирования сигналов отдельных лучей, при котором весь высокочастотный тракт (радиопередатчик - среда - радиоприемник) заменен его низкочастотным эквивалентом и обработка ведется в диапазоне тональных частот выходного сигнала АПД. Каждая ветвь имитатора соответствует определенному пути распространения радиоволн. Замирания, моделируемые в каждой ветви, носят частотно-гладкий характер, а после объединения сигналов различных ветвей сумматором - частотно-селективный характер.
Разработанный на базе цифрового процессора обработки сигналов TMS320VC5410 включен в состав прибора КП-ИАТС-М изготовленного на ФГУП «Пензенский научно-исследовательский электротехнический институт». Пользовательский интерфейс разработанного имитатора в составе прибора КП-ИАТС-М приведен на рисунке 3.
Разработанный имитатор обладает следующими преимуществами:
- обеспечивает скрытность испытаний путем замены натурных испытаний их лабораторными эквивалентами;
- экономически выгоден за счет отсутствия натурных испытаний и низкой собственной себестоимости;
- имеет высокую воспроизводимость результатов испытаний;
- обладает гибкостью и расширяемостью за счет заранее заложенного запаса вычислительных ресурсов и применению современных технологий разработки.
Разработанный имитатор может быть использован для автоматизированного контроля параметров аппаратуры телекоммуникационных систем при настройке и приемо-сдаточных испытаниях в процессе производства на заво-дах-изготовителях, а также разработчиками и (или) заказчиками телекоммуни-
кационных систем для их испытания, как по отдельности, так и в комплексе в режимах, которые они посчитают нужными в процессе испытания или тренажа.
Рисунок 3 ЛИТЕРАТУРА
1. Галкин А.П., Лапин А.Н., Самойлов А.Г. Моделирование каналов систем связи. - М.: Связь, 1979. - 96 с.
2. Шутов С.Л., Иванов А.П., Жуков С.В., Кашлов В.В. Имитатор декаметрового канала связи // 3-я Международная конференция и выставка "Цифровая обработка сигналов и ее применение": Доклады - 2. - М.: Типография ООО «Инсвязьиздат», 2000. - C. 255-258.
3. Watterson, C.C., Juroshek, J.R., Bensema, W.D. Experimental
confirmation of an HF channel model. IEEE Trans. Commun. Technol., vol. COM-18, pp. 792-803, Dec.1970.
4. CCIR Recommendation 520-1. Use of High Frequency Ionospheric Simulators.
5. Watterson, C.C., Juroshek, J.R., Bensema, W.D. Experimental
confirmation of an HF channel model. IEEE Trans. Commun. Technol., vol COM-18, pp. 792-803, Dec.1970.
