CC BY
63
УДК. 621.396
Якушенко Сергей Алексеевич,
профессор, кандидат технических наук, доцент Государственный университет аэрокосмического приборостроения
(г. Санкт-Петербург) Забело Александр Николаевич, доцент, кандидат военных наук Антонов Владимир Владимирович старший преподаватель Веркин Сергей Сергеевич преподаватель, кандидат технических наук Смирнов Александр Александрович докторант, кандидат технических наук Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного
(г. Санкт-Петербург) РР1: 10.24411/2520-6990-2019-11168 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТУРБО-КОДОВ В РАДИОСИГНАЛАХ С ППРЧ
Yakushenko Sergey Alekseevich,
Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor State University of Aerospace Instrumentation
(Saint Petersburg) Zabelo Alexander Nikolaevich, Associate Professor, Candidate of Military Sciences Antonov Vladimir Vladimirovich
Senior Lecturer
Verkin Sergey Sergeevich
Lecturer, Candidate of Technical Sciences Smirnov Alexander Alexandrovich Doctoral student, Candidate of Technical Sciences Military Academy of Communications. Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny (Saint Petersburg)
USE OF TURBOCODES IN RADIO SIGNALS WITH PREF
Аннотация:
Помехозащищённость модемов современных станций спутниковой связи не в полной мере удовлетворяет возрастающим требованиям ряда гражданских потребителей и силовых структур, что обуславливает актуальность разработки эффективных способов «сигнальной помехозащиты».
В статье приводятся результаты исследования по возможности применения турбо-кодов в радиосигналах с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с целью использования таких конструкций для работы в спутниковых радиолиниях диапазона миллиметровых волн на скоростях передачи 6-60 кбит/с и сокращения времени стояния на одной частотной позиции до 100 мкс.
Abstract:
The noise immunity of the modems of modern satellite communication stations does not fully satisfy the growing requirements of a number of civilian consumers and power structures, which makes it urgent to develop effective methods of "signal interference protection".
The article presents the results of a study on the possibility of using turbo codes in radio signals with pseudorandom tuning of the operating frequency in order to use such structures to work in satellite radio lines in the millimeter wave range at transmission speeds of 6-60 kbit / s and to reduce the time spent at one frequency position to 100 ps.
Ключевые слова: некогерентный прием, турбо-коды, псевдослучайная перестройка рабочей частоты, системы спутниковой связи.
Keywords: incoherent reception, turbo codes, pseudo-random tuning of the operating frequency, satellite communications systems.
Введение наблюдается в повышении пропускной способно-
В последние время с развитием глобальной ин- сти каналов связи и внедрению новых методов ор-формационной структуры наблюдается бурное раз- ганизации связи. В военной сфере также повышавшие инфотелекоммуникационных технологий, ются требования по обеспечению высоких скоро-среди которых особое место занимают системы стей передачи информации, но при этом не только спутниковой связи. В области спутниковой связи сохраняются, но и повышаются требования по коммерческого использования основное развитие обеспечению помехозащищенности направлений
спутниковой связи [1].
18 / «Ш11ШетиМ-^©и©Ма[1>>#1](151)),2©2©
Обоснование выбора параметров исследуе- Для анализа выбраны коды, параметры кото-
мого турбо-кода рых приведены в таблице 1.
Таблица - 1
_Параметры турбо-кодов произведений, для которых проводились моделирование [2]_
Параметры кода Кодовая скорость Базовый код Количество информационных бит Общая длина блока
(16,11)х(16,11) 0.47 БЧХ: (15,11), атш=4 121 256
(32,26)х(32,26) 0.66 БЧХ: (31,26), йтт=4 676 1024
(64,57)х(64,57) 0.79 БЧХ: (63,57), 4тт=4 3249 4096
(16,11)х(16,11)х(16,11) 0.33 БЧХ: (15,11), йтт=4 1331 4096
Параметры выбраны по соображениям:
- относительная простота реализации на имеющейся элементной базе;
- ощутимый энергетический выигрыш от применения кодирования;
- приемлемая скорость кодирования, по возможности близкая к 1/2 для сравнения со сверточ-ным кодом со скоростью 1/2;
- по возможности небольшая задержка.
При необходимости уменьшения задержки возможно использование менее мощных кодов.
Выбор количества итераций на декодирование и значения параметра р (количество ненадежных позиций) производился из соображений компромисса между сложностью декодера и достигаемой помехоустойчивостью. Во всех экспериментах было выбрано 6 итераций на декодирование и р = 4.
В результате моделирования была выявлена зависимость характеристик помехоустойчивости от
констант а и в для различных турбо-кодов. В каждом конкретном случае выбор значений величин а и в проводился методом подбора. Определение более строгой зависимости характеристик помехоустойчивости от констант а и в требует дальнейшего анализа.
Вначале приведем результаты для указанных кодов применительно к непомехозащищенной радиолинии с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) и фазовой модуляцией ( ФМ-2).
Модель, на которой проводились все расчеты, состояла из следующих последовательно соединенных элементов: кодер турбо-кодов произведений; модулятор ФМ-2; канал с АБГШ; демодулятор ФМ-2; декодер турбо-кодов произведений. Метод приема - некогерентный.
Экспериментальные характеристики помехоустойчивости турбо-кодов представлены на рисунке 1.
-0.5 с -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5
: [ г " -е- 2D(16x11) R=0.47 2D(32x26) R=0.66 -2D(64x57) R=0.79 -еъ- 3D(16x11) R=0.33
\
\
\ X \
\ х \
\ \ ^ \Х
\ \ \ д
\ \
)
-5.5 0.5
1.5
2.5 Eb/No, dB
3.5
4.5
Рисунок 1 - Помехоустойчивость выбранных для анализа турбо-кодов произведений
2
3
4
В модели реализован модифицированный алгоритм декодирования Чейза. Он несколько уступает оптимальному алгоритму декодирования по критерию максимума апостериорной вероятности, но обладает простотой реализации. Существуют специализированные микросхемы декодеров турбо-кодов произведений (например, микросхемы марки АМА4501, АНА4522, АНА4524 и АНА4525)
[3]. Алгоритм декодирования турбо-кодов в этих микросхемах неизвестен. Из технической документации на эти микросхемы видно, что они обладают несколько лучшими характеристиками помехоустойчивости (приблизительно 0,5 дБ), чем результаты моделирования. Указанное отличие может быть объяснено реализацией в модели упрощенного алгоритма декодирования. Преимуществом
«ш^шетим-^шгмак»,®!!!)),!©!© /
19
алгоритма Чейза является возможность реализации на стандартной, общедоступной элементной базе.
Из результатов моделирования следует, что наилучшим энергетическим выигрышем обладает трехмерный турбо-код (16,11)3. Данный код имеет кодовую скорость равную 0.33 и относительно небольшую длину информационного блока - 1331 бит. Заметим, что именно длина блока определяет суммарную задержку на передачу/прием. К недостатку этого кода можно отнести «чувствительность» помехоустойчивости к уменьшению отношения Еь/Ыо, вызванного различными факторами (нестабильность фазы, неточность наведения антенн, потери в атмосфере из-за дождя и т.д.).
Для дальнейшего анализа особенностей применения турбо-кодирования в спутниковых линиях
связи был выбран трехмерный турбо-код вида (16,11)3.
Исследование возможностей и особенностей использования трехмерного турбо-кода вида (16,11)3 в сочетании с ППРЧ
Будем предполагать, что помеха сосредотачивается на частотах, используемых для передачи. Полагаем, что мощность каждой помехи такова, что обеспечивает вероятность ошибки в данном частотном канале 1/2. При этих допущениях ошибки появляются пакетами (рисунок 2).
Для определенности предположим, что длительность передачи на одной частоте составляет 1,6 (6) мс. В этом случае при скорости 6 кбит/с размер пакета составляет 10 бит, соответственно при скорости 60 кбит/с - 100 бит.
ХнХ
Пораженные частоты
5/3мс
Время
Рисунок 2 - Временная диаграмма системы с ППРЧ
При попадании полезного сигнала на пораженную помехой частоту образуется пакет ошибок. Пакеты ошибок существенным образом ухудшают характеристики радиолинии с ППРЧ, в которой не используется помехоустойчивое кодирование или используется код без перемежения. Для исключения появления пакетов ошибок необходимо использовать псевдослучайные перемежитель и депе-ремежитель на передающей и приемной сторонах соответственно. При использовании перемежи-теля/деперемежителя пакеты ошибок распределяются равномерно по всему кодовому блоку. Глубина перемежения должна быть не менее числа бит, передающихся на одной частоте (для скорости 6 кбит/с это равно 10 битам, для скорости 60 кбит/с -100 битам). Из практических соображений естественным выглядит выбор глубины перемежения, равной длине блока.
Дополнительной особенностью такой линии является то, что для корректной работы турбо-декодера с мягкими решениями демодулятору необходимо стирать символы, поврежденные помехой.
В противном случае такие символы будут трактоваться декодером как наиболее надежные. Для определения символов, поврежденных преднамеренной помехой, выход демодулятора должен сравниваться с некоторым порогом; в случае превышения мягкого решения порога текущий символ должен стираться. Величина порога должна устанавливаться в соответствии с мощностью случайного шума в канале, которая должна измеряться.
Для пояснения подхода к выбору порога рассмотрим следующий пример. Пусть заданы: отношение сигнал/шум Еь/^ в канале 6 дБ; доля поврежденных частот составляет 20%. Преднамеренная помеха моделируется случайной величиной, распределенной по нормальному закону со средним значением равным 7 и дисперсией 1,2.
При этих условиях проведено имитационное моделирование. Получена выборка отсчетов на выходе демодулятора. По этим данным построена гистограмма, приведенная на рисунке 3.
п
3
2
Доля бит не поврежденных преднамеренной помехой
Доля бит поврежденных преднамеренной помехой
Значение порога
Рисунок 3 - Плотность распределения вероятностей мгновенных значений на входе турбо-декодера при
воздействии преднамеренной помехи.
На рисунке показан порог, который минимизирует суммарную вероятность ошибочного стирания/нестирания символа. Именно этот критерий должен использоваться при выборе порога.
Модель линии представлена на рисунке 4. Для определенности предполагается использование ортогональных сигналов и некогерентный прием.
Белый гауссовский шум
Турбокодер
Турбодеко -дер
Переме-житель Модулятор
Депереме-житель Демодулятор
Формирователь ППРЧ
Устройство снятия ППРЧ
Преднамеренная помеха
Рисунок 4 - Модель линии с ППРЧ и турбо-кодированием
Результаты расчетов характеристик трехмерного турбо-кода (16,11)3 при различных процентах подавления рабочей полосы преднамеренной помехой представлены на рисунке 5. В данном случае
преднамеренная помеха моделируется случайной величиной, распределенной по нормальному закону со средним значением, равным 7 и дисперсией, равной 1.
«ш^шетим-^шгмак»,®!!!)),!©!© /
21
-0.5:
-1-
-1.5--2
-2.5--3
-3.5-
-4-
-4.5-
-5--5.5 -
4 5 6 7 8 9 10 11 12
ЕЬ/Ыо, dB
Рисунок 5
Характеристики трехмерного турбо-кода (16,11)3 при различном проценте подавленной полосы
Интересен случай, когда преднамеренная по- помехи. В качестве примера на рисунке 6 показана меха является настолько маломощной, что работа плотность распределения вероятностей мгновен-радиолинии нарушается, а помеха не обнаружива- ных значений на входе турбо-декодера при воздей-ется. В этой ситуации определение порога является ствии маломощной преднамеренной помехи (средне столь однозначной задачей, как в случае мощной нее значение 2, дисперсия 1), Еь/Ы"о=7 дБ.
Значение порога
Рисунок 6 - Порог для маломощной помехи
Был произведен расчет характеристик трех- 10%, преднамеренная помеха - случайная величина, мерного турбо-кода (16,11)3 при следующих распределенная по нормальному закону со средним начальных условиях: доля подавленной полосы значением равным 2 и дисперсии, равной 1.
-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5
-5.5 - --
4 6 8 10 12 14
Eb/No, dB
Рисунок 7 - Сравнение характеристик трехмерного турбо-кода (16,11)3 при воздействии преднамеренной помехи разной мощности: верхний график соответствует маломощной помехи, средний - мощной
помехи.
Как видно из рисунка 7, характеристики турбо-кода существенно ухудшаются при воздействии маломощной преднамеренной помехи. Объяснение этого факта состоит в том, что поврежденные биты, для которых абсолютные мягких решений меньше порога, трактуются турбо-декодером как одни из самых надежных. Возможно, более надежным решением в определении таких поврежденных бит является измерение средней мощности бит, предаваемых на одной частоте. В этом случае, если общая мощность таких бит превысит некий средний уровень, то данный пакет битов будет стерт целиком. Чем больше вероятность в обнаружении поврежденных бит, тем больше характеристики турбо-кода будут соответствовать характеристикам, представленным на рисунке 7.
Выводы
Использование трехмерного турбо-кода (16,11)3 при некогерентном приеме ортогональных
сигналов дает выигрыш от 5,6 до 1,9 дБ (на уровне вероятности ошибки 10-5) при изменении относительного количества пораженных частот от 0 до 30%. Но при этом дополнительная задержка кодирования-декодирования составляет 0,5 и 0,05 с на скорости 6 и 60 кбит/с соответственно.
Список литературы
1. Андронов А.А. Безопасность информации в каналах радиосвязи: взгляд из космоса/А.А. Андронов, Ю.К. Макаров // Технологии и средства связи. - 1999.- №6. - с.81-84.
2. Григорьев В.А. Сигнально-кодовые конструкции/ В.А. Григорьев, С.В Григорьев. - СПб.: ВАС, 1997. - с.148.
3. Sripimanwat, K.. (2005). Turbo code applications: A journey from a paper to realization. 10.1007/1-4020-3685-X.
