CC BY
27ПЕРЕДАЧА, ПРИЕМ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
УДК 621.396.4, 519.876.5
Использование сигнально-кодовой конструкции аппаратуры передачи данных для сравнения моделей радиоканала
Шаптала В.С., Машкин А.И., Соколов В.А.
Аннотация. В статье ставится задача сопоставить результаты определения помехоустойчивости многоканального пакетного модема, полученные двумя способами: с использованием встроенных функций системы технических расчетов MATLAB и с использованием модели канала из прототипа опытного района цифровой сети радиосвязи. Целью работы является получение кривых помехоустойчивости для основных типов состояния радиоканала в соответствии с рекомендацией ITU-R F-1487. При моделировании используются методы кроссплатформенного программирования и цифровой обработки сигналов. Новизна обсуждаемого решения состоит в сопоставлении двух моделей радиоканала, выполненных в соответствии с рекомендацией ITU-R F-1487. К результатам работы следует отнести графики помехоустойчивости разрабатываемого модема. Практическая значимость исследования заключается в возможности демонстрации функционирования модема без проведения трассовых испытаний и возможности сравнения модемов различных исполнителей в лабораторных условиях.
Ключевые слова: помехоустойчивость; сигнально-кодовые конструкции; цифровая обработка сигналов; коротковолновый диапазон частот.
Введение
Проверка помехоустойчивости сигнально-кодовой конструкции часто является сложной задачей, поскольку требует проведения дорогостоящих и длительных трассовых испытаний. Регламент проведения подобного рода экспериментов требует получения набора частот, которые можно легитимно использовать. Этот набор частот выдается на определенное время, что усложняет организацию испытаний и не допускает проведение предварительных проверок. Особенно сложно организовать трассовые испытания для удаленных абонентов, поскольку это часто требует необходимости создания канала служебной связи для управления испытаниями, и для каналов с изменяющимися во времени характеристиками. Все вышесказанное ярко проявляется при разработке аппаратуры передачи данных (АПД) в коротковолновом (КВ) диапазоне частот:
- расстояние между абонентами от 3000 км и больше;
- абоненты расположены в труднодоступных районах;
- параметры КВ канала изменяются с течением времени.
Проводя в таких условиях трассовые испытания, очень тяжело сопоставить результаты, поскольку трудно добиться повторяемости экспериментов, поэтому Международный союз электросвязи настоятельно рекомендует использовать для тестирования сигнально-кодовых конструкций модели каналов и проводить вычислительные эксперименты в лабораторных условиях. Для КВ диапазона необходимо использовать рекомендацию F.1487 [1] 2000 г., которая заменяет рекомендацию F.520 [2] 1992 г.
При использовании моделей канала всегда возникает вопрос о том, насколько точно они соответствуют рекомендации F.1487, поскольку официальных способов их сертификации, с точки зрения авторов, не существует. Часто эти модели создаются на целевой элементной базе с поддержкой специфического набора интерфейсов, поскольку целесообразно создавать модель, похожую на используемые радиосредства, поэтому и возникает необходимость сопоставить работу своей модели канала и выбранной общеизвестной. В статье рассматриваются две модели канала: одна из системы технических
расчетов MATLAB, а другая из состава распределенной модели опытного района цифровой сети радиосвязи [3].
Виды радиоканалов из рекомендации ITU-R F.1487
Рекомендация F.1487 описывает 10 состояний ионосферных каналов. Каждый канал характеризуется задержкой между лучами (differential time delay) и расширением спектра в каждом луче (doppler spread), как представлено в табл.
Таблица - Характеристика задержек между лучами и расширением спектра в каждом луче
Ионосферные каналы, определенные рекомендацией ITU-R F.1487 Задержка, мс Расширение спектра, Гц
Low latitudes, Quiet conditions 0.5 0.5
Low latitudes, Moderate conditions (Poor Channel) 2 1.5
Low latitudes, Disturbed conditions 6 10
Mid-latitudes, Quiet conditions (Good Channel) 0.5 0.1
Mid-latitudes, Moderate conditions (Moderate Channel) 1 0.5
Mid-latitudes, Disturbed conditions 2 1
Mid-latitudes, Disturbed near vertical incidence 7 1
High latitudes, Quiet conditions 1 0.5
High latitudes, Moderate conditions 3 10
High latitudes, Disturbed conditions 7 30
Для проведения моделирования работы модема в условиях замираний и построения графиков помехоустойчивости были выбраны три типа канала: Good, Moderate и Poor Channel. Выбор только этих каналов обусловлен историческим фактором (они появились в рекомендации F.520) и желанием уменьшить время на проведение тестирования.
Особенности определения мощности шума в модели канала
Для корректного добавления аддитивного шума к сигналу необходимо получить выражение для его мощности. Для этого рассмотрим отношение сигнал/шум по мощности -
SNR.
Из теории связи, например [4], известно, что:
SNR = ^ =
где Ps - мощность сигнала, Pn - мощность шума, No - спектральная плотность мощности (СПМ) белого шума, W - ширина спектра сигнала.
Для сопоставления различных схем модуляции и кодирования сигнала используется другая мера отношения сигнал/шум - отношение сигнал/шум на бит, которое определяется как отношение энергии сигнала на один бит передаваемых данных, к спектральной плотности мощености (СПМ) белого шума - Еь/Ма дБ.
Для того, чтобы установить связь между двумя этими метриками необходимо заметить, что мощность сигнала равна энергии бита, умноженной на битовую скорость - Я бит/с: Р3 = ЕъИ. С учетом этого из (1) получаем:
SNR = ^
N„ VWV
Связь битовой скорости с символьной определяется следующим образом:
где Rs - символьная скорость символ/с, m - количество бит на символ, Ts - длительность передачи символа, fs - частота передачи символа.
Учитывая, что полоса комплексного сигнала в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ, А]¥ОЫ) ограничена частотой дискретизации (И-г = вместе с (3) из выражения (2) получаем:
Или в более привычной логарифмической форме:
5Л/Я = ^ + 10+ Ю (М
"о
Полученная формула (5), позволяет задать необходимое значение SNR с учетом полосы сигнала и кратности модуляции.
Таким образом, с учетом (1) и (5), получаем формулу для оценки мощности шума:
Р = Р
N„
Еще одной полезной метрикой для сравнения различных схем модуляции с учетом их позиционности является метрика отношения энергии символа Е3 к СПМ белого шума -Ев/Н0 дБ. Для установления связи между Е„ /Лтс, и Еъ /Лтс, необходимо воспользоваться следующим соотношением: Е3 = Р3Т3 = Р3т/И = тЕь. Таким образом, выражение для отношения сигнал/шум на символ принимает вид:
.
Л"л
Л",
Особенности реализации модели канала в среде MATLAB
Каналы, в соответствии с рекомендацией F.1487, реализованы в пакете communication toolbox из системы технических расчетов MATLAB.
Для установки параметров канала используется встроенная функция - stdchan (chnatype, rs, fd), которая возвращает объект в соответствии с указанным типом канала -chnatype, частотой дискретизации - rs и максимальным доплеровским сдвигом - fd. Параметр chnatype выбирается из моделей каналов, перечисленных в стандарте, частота дискретизации rs соответствует частоте дискретизации сигнала, параметр fd для каналов из рекомендации F.1487 должен составлять значение 1 Гц.
Реализацию искажений в рэлевском и АБГШ канале берут на себя классы: comm.RayleighChannel и comm.AWGNChannel. В качестве аргументов класс comm.RayleighChannel принимает результат функции stdchan, а класс comm.AWGNChannel позволяет устанавливать отношение сигнал/шум различными способами.
Описание эксперимента
Моделирование проводилось с помощью приложений fhss-standalone и fhss-fileusage. Отличительной особенностью данных приложений является то, что fhss-standalone использует свою, разработанную на языке программирования Си, модель канала с замираниями, тогда как fhss-fileusage, позволяет использовать внешнюю модель канала, в нашем случае, из среды MATLAB.
Структурная схема эксперимента приведена на рис. 1. Цель эксперимента заключалась в определении коэффициента битовой ошибки (BER, Bit Error Rate) для АБГШ канала и трех выбранных каналов из рекомендации F.1487.
Модель КВ канала состоит из рэлеевского двухлучевого канала и канала с АБГШ. При работе с fhss-fileusage модулированные сигналы были записаны в бинарные файлы,
которые считывались в среде MATLAB, искажались в соответствии с моделью КВ канала и записывались в бинарный файл. Искаженные таким образом сигналы, демодулировались приложением jhss-fileusage в котором происходил расчёт вероятности ошибки. В случае с fhss-standalone: модуляция, искажения, демодуляция и оценка ВЕЯ происходили непрерывно в одном приложении.
Рис. 1. Структурная схема эксперимента
Результаты моделирования
Параметры OFDM модема: ОФМ - 2, 4, 8; количество информационных поднесущих - 44; интервал ортогональности - 10 мс; защитный интервал - 2,5 мс; длительность слота T - 50 мс; количество посылок в слоте - 4; помехоустойчивый код для соответствующих позиционностей модуляции - код Рида-Соломона (26,16), (44,24), (33,23); информационная скорость 1600, 2880, 5440 бит/с.
Количество информационных поднесущих в модеме - 44, расстояние между ними обратно интервалу ортогональности и составляет 100 Гц, следовательно - fs = 4400 Гц, частота дискретизации f = 12800 Гц, кратность модуляции m = 1, 2, 3.
Количество передаваемых информационных бит во всех экспериментах было не менее 106. Диапазон отношения сигнал/шум для экспериментов: в АБГШ канале - от 0 до 20 дБ с шагом 1 дБ, в каналах с замираниями - от 0 до 30 дБ с шагом 2 дБ. Одни и те же кривые BER, для удобства анализа, построены для различных определений отношения сигнал/шум: EbfNc, Ев fNa и SNR. Результаты экспериментов представлены на рис. 2-4 в диапазоне от 0 до 20 дБ, поскольку в статье рассматриваются только низкоскоростные модемы, которые должны функционировать при малых отношениях сигнал/шум.
Рис. 2. BER в зависимости от Eb/ND
Рис. 3. BER в зависимости от EsfNa
Рис. 4. BER в зависимости от SNR Выводы
Результаты эксперимента показывают, что модели канала полностью совпадают в канале с АБГШ и достаточно близко совпадают в каналах с замираниями. Наибольшие расхождения присутствуют в poor channel при отношениях сигнал/шум более 15 дБ, что свидетельствует о различной реализации механизма многолучевого распространения сигнала в исследуемых моделях.
Полученные результаты подтверждают, что модель канала из [3] может использоваться для проверки работоспособности АПД в лабораторных условиях. Безусловно эти проверки не могут полностью заменить трассовые испытания, но позволяют существенно уменьшить стоимость и сроки разработки систем цифровой радиосвязи.
Построенные кривые помехоустойчивости описывают сигнальный уровень АПД из [3] и могут быть использованы для разработки методов передачи данных или оценки применимости стриминговых сервисов (широковещательные аудио или видео трансляции). Эти кривые специально представлены для трех часто используемых способов определения отношения сигнал/шум: SNR, EB/N0 и Eb/Na, что упрощает сравнение с АПД других
производителей.
Для выяснения, почему кривые помехоустойчивости начинают расходиться с ростом отношения сигнал/шум, необходимо сравнивать модели каналов без использования АПД, например: исследовать расширение спектра на гармонических сигналах.
Литература
1. F.1487: Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators URL: https://www.itu.int/rec/R-REC-F.1487/en (дата обращения 3 сентября 2020).
2. F.520: Use of high frequency ionospheric channel simulators URL: https://www.itu.int/rec/R-REC-F.520/en (дата обращения 3 сентября 2020).
3. Шаптала В.С., Солнцев Д.В. Модель фрагмента сети цифровой радиосвязи // Техника средств связи. 2020. № 2 (150). С. 71-79.
4. Сергиенко А.Б. Цифровая связь: Учебное пособие. СПб.: СПБГЭТУ "ЛЭТИ". 2012. 164 с.
References
1. F.1487: Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators URL: https://www.itu.int/rec/R-REC-F.1487/en (accessed 3 Sep. 2020).
2. F.520: Use of high frequency ionospheric channel simulators URL: https://www.itu.int/rec/R-REC-F.520/en (accessed 3 Sep. 2020).
3. Shaptala V.S., Solntsev D.V. Model of pilot area of digital radio network. Means of communication equipment. 2020. NO 2 (150). P. 71-79 (in Russian).
4. Sergienko A.B. Digital Communication: A Tutorial SPB: Saint-Petersburg Electrotechnical University "LETI", 2012. 164 с. (in Russian).
Статья поступила 03 сентября 2020 г.
Информация об авторах
Шаптала Василий Сергеевич - Кандидат технических наук. Начальник лаборатории ПАО «Интелтех». E-mail: shaptalavs@inteltech.ru.
Соколов Владимир Александрович - Ведущий инженер ПАО «Интелтех». E-mail: sokolovva@inteltech.ru.
Машкин Андрей Игоревич - Магистр СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Инженер ПАО «Интелтех». E-mail: mashkinAI@inteltech.ru. Адрес: 197342, г. Санкт-Петербург, Кантемировская ул., д. 8. Тел. 8 (812) 448-19-01.
Using of the signal-code construction of data transmission equipment for comparing models of radio channel V.S. Shaptala, V.A. Sokolov, A.I. Mashkin
Annotation. The article aims to compare the bit error rate of a multichannel packet modem obtained in two ways: using the built-in functions of the MATLAB technical calculation system and using the channel model from the pilot area of the digital radio communication network. The main goal of this work is to obtain the bit error rates for the main types of the radio channel in accordance with the recommendation ITU-R F 1487. The methods of cross-platform programming and digital signal processing are used in the simulation. The novelty of the discussed solution is in the comparison of two radio channel models made in accordance with the ITU-R F 1487 recommendation. The results of the paper include the bit error rate graphs of the modem being developed. The practical significance of the work consists in the possibility of demonstrating the modem without real radio channels and the possibility of comparing modems of different performers in laboratory.
Keywords: bit error rate; signal-code construction; digital signal processing; shortwave frequency band.
Information about Authors
Shaptala Vasily Sergeevich - Ph.D. in communications. Head of laboratory PJSC "Inteltech". E-mail: shaptalavs@inteltech.ru.
Sokolov Vladimir Alexandrovich - Lead engineer of PJSC "Inteltech". E-mail: sokolovva@inteltech.ru.
Mashkin Andrey Igorevich - Master of Saint-Petersburg Electrotechnical University "LETI". Software engineer of PJSC "Inteltech". E-mail: mashkinAI@inteltech.ru. Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya street 8, Tel. 8 (812) 448-19-01.
Для цитирования: Шаптала В.С., Машкин А.И., Соколов В.А. Использование сигнально-кодовой конструкции аппаратуры передачи данных для сравнения моделей радиоканала // Техника средств связи. 2020. № 3 (151). С. 37-42.
For citation: Shaptala V.S., Mashkin A.I., Sokolov V.A. Using of the signal-code construction of data transmission equipment for comparing models of radio channel. Means of communication equipment. 2020. No 3 (151). Pp. 37-42 (in Russian).
