ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ РАДИОКАНАЛА АВИАЦИОННОЙ РАДИОСВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. 2022. № 4

ISSN 2Q72-95Q2 (Print), ISSN 2224-9761 (Online) Vestnik ASTU. Series: Management, computer science and informatics. 2022. N. 4

_ISSN 2Q72-95Q2 (Print), ISSN 2224-9761 (Online)

СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

TELECOMMUNICATION SYSTEMS AND NETWORK TECHNOLOGIES

Научная статья УДК 621.391

https://doi.org/10.24143/2072-9502-2022-4-48-53 ББК ЬБРШ

Исследование эффективности помехозащищенности радиоканала авиационной радиосвязи

Олег Николаевич Пищин* , Ксения Павловна Воронина

Астраханский государственный технический университет, Астрахань, Россия, o.pishin@yandex.ru

Аннотация. При выполнении полетов авиации важным фактором обеспечения безопасности экипажей является наличие качественной и надежной связи с диспетчерским пунктом. Целью настоящей работы является исследование качества авиационной радиосвязи при различных методах передачи информации для дальнейшей выработки технических решений по совершенствованию авиационных систем радиосвязи. Применяемое в настоящее время оборудование предназначено для ведения беспоисковой и бесподстроечной радиосвязи и обмена данными на фиксированных рабочих частотах наземных пунктов управления с радиосредствами летательных аппаратов в метровом и дециметровом диапазонах. Важнейшим требованием к системам авиационной радиосвязи является обеспечение высокого уровня помехозащищенности, включая защиту от активных помех. Рассматривается возможность наиболее успешного на первом этапе исследования варианта использования смены частот (или скачков по частотам) с целью выбора наименее подверженной помехам рабочей частоты. Проводится исследование использования псевдослучайной перестройки частоты радиосвязи между наземными пунктами управления и радиосредствами летательных аппаратов как одного из способов нивелирования помеховых воздействий. Для повышения устойчивости радиолинии необходимо использование цифровых методов передачи информации. Использование цифровых методов кодирования информации приводит к погрешностям низкого уровня в таких процессах, как дискретизация, модуляция, усиление, демодуляция и фильтрация. Ввиду этого нелинейное квантование позволяет обеспечить более высокий уровень отношения сигнала к помехе. При неизменном уровне мощности передатчика существует возможность осуществления устойчивой связи и при более высоких значениях отношения сигнала к помехе, что приводит в целом к увеличению дальности радиопередачи. Путем применения высокоустойчивых методов кодирования вероятность ошибки также может быть снижена. Исследуются и другие параметры, отражающие качество передачи информации по радиоканалу: разборчивость речи, вероятность ошибочного приема символов. Таким образом, цифровые методы передачи информации обладают более высокой помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми, даже без применения специальных мер защиты. Применение специальных мер, таких как помехозащищенное кодирование и псевдослучайное переключение частоты, позволяет значительно повысить помехозащищенность системы радиосвязи.

Ключевые слова: радиосвязь, псевдослучайная перестройка частоты, помехозащищенность, соотношение сигнал/шум, цифровые методы передачи информации

Для цитирования: Пищин О. Н., Воронина К. П. Исследование эффективности помехозащищенности радиоканала авиационной радиосвязи // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. 2022. № 4. С. 48-53. https://doi.org/10.24143/2072-9502-2022-4-48-53. ББМ ^РШ.

© Пищин О. Н., Воронина К. П., 2022

Original article

Studying effectiveness of channel jamming protection in aeronautical radio communications

Oleg N. Pishchin*, Kseniya P. Voronina

Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russia, o.pishin@yandex.ru

Abstract. When performing aviation flights the high-quality and reliable communication with the control room becomes important for ensuring the crew safety. The purpose of the study is to investigate the quality of aviation radio communication in different methods of information transmission for developing the technical solutions of radio communication perfection. The equipment used today is designed for instant selection of preset channels and data exchange at fixed operating frequencies of ground control points with aircraft radio equipment in the meter and decimeter ranges. The most important requirement for the aviation radio communication systems is to ensure a high level of noise immunity including protection against active interference. There is considered the process of frequency changing, or frequency hops, as the most successful at the first stage of the study in order to find the least interference-prone operating frequency. The use of pseudorandom frequency changing of radio communication between the ground control points and aircraft radio equipment is studied as one of the ways of leveling interference effects. To increase the stability of the radio line, it is necessary to use digital methods of information transmission. The use of digital methods of encoding information leads to low-level errors in the processes of discretization, modulation, amplification, demodulation and filtering. Due to this, nonlinear quantization allows for a higher level of signal-to-noise ratio. With a constant power level of the transmitter it is possible to carry out stable communication even at higher values of the signal-to-interference ratio, which generally leads to the increasing radio transmission range. Using highly robust coding methods, the probability of error can also be reduced. There are studied different parameters reflecting the quality of information transmission over the radio channel: speech intelligibility, probability of erroneous reception of symbols. Thus, the digital methods of information transmission have higher noise immunity compared to the analog ones, even without special protection measures. Using special measures (noise-proof coding, pseudorandom frequency changing) can significantly increase the jamming protection of the radio communication system.

Keywords: radio communication, pseudorandom frequency changing, jamming protection, signal/noise ratio, digital methods of information transmission

For citation: Pishchin O. N., Voronina K. P. Studying effectiveness of channel jamming protection in aeronautical radio communications. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Management, Computer Science and Informatics.2022;4:48-53. (In Russ.). https://doi.org/10.24143/2073-5529-2022-4-48-53. EDN LSPIRI.

Введение Помехозащищенность - способность радиоси-

Выполнение полетов авиации связано с важны- стемы обеспечивать передачу информации с тре-

ми факторами обеспечения их безопасности. Осно- буемым качеством при возможном воздействии

вой безопасности, как правило, является обеспече- организованных помех.

ние надежного управления полетами и диспетчер- Помехозащищенность подразумевает наличие ского контроля передвижения воздушных судов. двух свойств: скрытность - способность радиоси-В настоящее время ситуация с ведением авиацион- стемы излучать сигнал в течение заданного време-ной радиосвязи не отвечает высоким требованиям ни и заданной вероятностью не обнаружения факта оперативности при принятии решений в экстре- работы радиосистемы противником; помехоустой-мальной ситуации. Одной из систем авиационной чивость - способность радиосистемы противосто-радиосвязи, применяемой в настоящее время, явля- ять мешающему воздействию помех, т. е. осу-ется радиостанция, предназначенная для ведения ществлять передачу сигнала с заданным показате-беспоисковой и бесподстроечной радиосвязи и об- лем качества. Одним из вариантов реализации вымена данными на фиксированных рабочих частотах сокой защищенности канала связи может быть ис-наземных пунктов управления с радиосредствами пользование псевдослучайной перестройки часто-летательных аппаратов в метровом и дециметровом ты, положительно влияющей на помехозащищен-диапазонах. Важнейшим требованием к системам ность передачи информации. авиационной радиосвязи является обеспечение высокого уровня помехозащищенности. Сравнительная оценка помехозащищенно-

В настоящее время сообщения передаются сти аналоговых и цифровых систем связи

в цифровом виде, а речевая информация - в анало- Для исследования помехоустойчивости следует

говом режиме с использованием амплитудной мо- задаться необходимым соотношением сигнал/шум

дуляции. Важнейшим требованием к системам на выходе приемного тракта.

авиационной радиосвязи является обеспечение вы- Каналы связи для передачи телефонного сигна-

сокого уровня помехозащищенности. ла должны обеспечивать сохранение разборчиво-

0

1

n'

р V

о o

tt

о.

i n

в

ста p

i

o

сти речи из натуральности речи и натуральности ее звучания. Разборчивость речи характеризуется

разборчивостью звуков Б или слов Ш. Существующие классы качества речи приведены в таблице.

Классы качества речи Speech quality classes

Класс качества Характеристика класса качества Нормы разборчивости, %

звуков D слов W

I Понимание передаваемой речи без малейшего напряжения внимания 91 и более 98 и более

II Понимание передаваемой речи без затруднений 85-90 94-97

Ш Понимание передаваемой речи с напряжением внимания без переспросов и повторений 78-84 89-93

IV Понимание передаваемой речи с большим напряжением внимания, переспросами и повторениями 61-77 70-88

V Полная неразборчивость связного текста, срыв связи 60 и менее 69 и менее

& sS

a

я

a

sS

и

4 w

s

о о

5 С

w rt я я я

о

6

о

га

о

я я

a

я

га

Для безаварийного производства полетов необходимо обеспечение полной разборчивости слов, т. е. следует обеспечить класс качества I.

При белом шуме зависимость разборчивости звуков от отношения мощностей сигнал/шум в полосе телефонного сигнала 300-3 400 Гц показана на рис. 1 [1].

Рис. 1. Зависимость разборчивости речи от отношения мощностей сигнал/шум

Fig. 1. Dependence of speech intelligibility on signal-to-noiseratio

Таким образом, для обеспечения понимания передаваемой речи без малейшего напряжения внимания D = 98 % необходимо отношение мощностей сигнал/шум PjРш = 12 дБ, что соответствует соотношению сигнал/шум в абсолютных единицах

L

52 = Pj Рш = 1010 = 101,2 = 15,8.

На входе приемника соотношение сигнал/шум должно быть не менее данной величины (15,8) [2].

Соотношение сигнал/шум может быть вычислено по формуле

52 =-

N о AF

(1)

где Рс - мощность сигнала на входе приемника, Вт; N - спектральная плотность шума на входе приемника, Вт/Гц; АР - ширина спектра сигнала, Гц. Мощность сигнала определяется соотношением

Р С С X2

р _ прд^прд ^прм

(4nR)2 L

где Рпрд = 40 Вт - мощность передатчика; Спрд = Спрм = 1 - коэффициенты направленного действия передающей и приемной антенн; X = 3 м -длина волны несущего колебания; Я = 100 км -дальность радиосвязи; ¿0 = 3 - коэффициент дополнительного ослабления.

При заданных исходных данных

Р =-

40 • 9

16 • 9,86 1010 • 3

= 0,76 10-10 Вт.

Спектральная плотность шума на входе приемника определяется выражением

N0 _ Т,

где к = 1,38 • 10-23 Вт/Гц - постоянная Больцмана; Тш = 1 000 К - шумовая температура, складывающаяся из эквивалентных шумовых температур антенны, атмосферы, космических источников, Земли и др.

Полоса речевого сигнала составляет 300-3 400 Гц, таким образом, А^ = 3 100 Гц. Для передачи сигнала необходимо обеспечить полосу радиоканала не менее 6 200 Гц.

С учетом выражения (1) при отсутствии организованных помех соотношение сигнал/шум на входе приемника составит

52 =-

0,76 • 10-

1,38 • 10 • 1 000 • 6 200

= 0,9 • 106 = 59,6 дБ ,

что говорит о достаточно высоком качестве приема сигнала. Запас по помехам составляет

А _ 59,6-12 _ 47,6 дБ.

10

Однако при наличии организованных помех ситуация меняется коренным образом. Для полного заглушения связи необходимо обеспечить соотношение сигнал/шум на выходе 82 = 0,25 (абс. ед.), или

=101§ (0,25) = -6 дБ.

При использовании в передатчике помех слабонаправленной антенны с диаграммой направленности 60 х 60 угловых градусов (Спрд = 10) на дальности Д = 100 км необходимая мощность передатчика составит [3]

Рп =

Рс (4nD)2 • L0 0,76•Ю-10 • 16 • 9,86 -1010 • 3

0,25 • 10 • 9

= 0,25 Вт.

Таким образом, наличие активных помех делает радиосвязь уязвимой. Для повышения помехозащищенности применяются специальные меры, например, псевдослучайная перестройка частоты. Повышения помехоустойчивости можно добиться путем использования цифровой передачи речи с применением фазовой манипуляции сигнала.

В системах цифровой передачи информации большинство операций сводится к процедурам, в основе которых лежат простейшие логические операции типа «да-нет», «и», «или», поэтому такие важнейшие этапы преобразований сообщений и сигналов, как дискретизация, кодирование, модуляция, усиление, демодуляция и фильтрация, могут быть осуществлены с очень малыми погрешностями.

Аналого-цифровое преобразование сигнала заключается в дискретизации сигнала по времени

§2 = Рс/ Рш =

2 Рс • т . N o

2 Рс

2 • 0,76-10-

k • Tm-AF 1,38 •Ю-23 • 1000 • 64-10

-= 1,7•Ю5 = 52,3 дБ,

i h

0

1 S

р N

tt u

и квантовании по уровню. Частота дискретизации должна быть не менее удвоенной максимальной частоты спектра сигнала. При дискретизации речевого сигнала принимается частота дискретизации Fд = 8 кГц. Нелинейное квантование (компандиро-вание) позволяет обеспечить 256 уровней квантования, т. е. 8 разрядов. Таким образом, передаваемое сообщение представляет собой последовательность 8-разрядных двоичных слов, следующих с частотой 8 кГц. Полоса передаваемого сигнала составит ЛF = 64 кГц.

При использовании оптимального приема с интегратором в цепи обработки сигнала соотношение сигнал/шум для цифрового сигнала определяется выражением

r

o

где т - длительность тактового интервала, с.

При расчетной мощности передатчика (40 Вт) соотношение сигнал/шум уменьшилось, однако для цифрового сигнала требования к качеству приема другие.

Оценка помехоустойчивости цифровой системы передачи заключается в расчете вероятности ошибочного приема символов [4]. Данную вероятность можно вычислить по формуле

1-ФК 28'

Ро = 0,5

где Ф(х) - интеграл вероятностей.

Зависимость вероятности ошибочного приема от соотношения сигнал/шум представлена на рис. 2, где р - вероятность ошибочного приема символа, Еб - энергия символа на входе приемника, Вт/Гц.

Р

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибочного приема символа от соотношения сигнал-шум для фазовой манипуляции [5]

Fig. 2. Dependence of false symbol reception on signal-to-noise ratio for phase modulation [5]

Считается, что для бесперебойной работы канала необходимо обеспечить вероятность ошибочного приема рош = 10-6, что соответствует соотношению сигнал/шум 52 = 11. При отсутствии организованных помех данное соотношение выполняется. При использовании помехоустойчивого кодирова-

ния вероятность рош может быть снижена до 10- , что соответствует соотношению сигнал/шум 82 = 7.

Мощность передатчика для подавления радиоканала при рассмотренном ранее сценарии определяется соотношением

е

и

Рп =

Рс (4nD)2 L0 0,76 • 10-10 • 16 • 9,86 • 1010 • 3

5Хд X2

Таким образом, для подавления цифрового канала связи при равных условиях требуется большая мощность передатчика помех, чем для подавления аналогового канала. Это подтверждает факт высокой помехоустойчивости цифровых каналов связи и для рассматриваемых систем в том числе.

Заключение

Из проведенных расчетов можно сделать вывод, что цифровые методы передачи информации обладают более высокой помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми даже без применения специальных мер защиты. Применением спе-

7•10 • 9

= 0,57 Вт.

циальных мер, таких как помехозащищенное кодирование и псевдослучайное переключение частоты, можно значительно повысить помехозащищенность системы радиосвязи. Отсюда следует вывод о целесообразности передачи речевой информации в цифровом виде. Данное предложение может быть реализовано в существующих системах радиосвязи путем их несложной модернизации с учетом того, что авиационные радиостанции имеют каналы передачи телекодовой информации, которые могут быть доработаны для передачи речи.

Список источников

о

и я

a

я

с

1. Тепляков И. М., Фомин А. И., Рощин Б. В., Вей-цель В. А. Радиосистемы передачи информации. М: Радио и связь, 1982. 264 с.

2. Крухмалев В. В., Гордиенко В. Н. и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. 510 с.

3. Вейцель В. А. Радиосистемы управления. М.: Дрофа, 2005. 416 с.

4. Лебедько Е. Г. Теоретические основы передачи информации. СПб.: Лань, 2011. 349 с.

5. Васин В. А., Калмыков Ю. Н. Радиосистемы передачи информации. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. 471 с.

6. Пищин О. Н., Каламбацкая О. В. Особенности распространения радиоволн УВЧ диапазона в приземном и приводном тропосферном волноводе // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2019. № 4. С. 115-121.

References

1. Tepliakov I. M., Fomin A. I., Roshchin B. V., Veitsel' V. A. Radiosistemy peredachi informatsii [Radio systems of information transmission]. Moscow, Radio i sviaz' Publ., 1982. 264 p.

2. Krukhmalev V. V., Gordienko V. N. i dr. Osnovy postroeniia telekommunikatsionnykh system i setei [Principles of constructing telecommunication systems and networks]. Moscow, Goriachaia liniia - Telekom Publ., 2004. 510 p.

3. Veitsel' V. A. Radiosistemy upravleniia [Radio control systems]. Moscow, Drofa Publ., 2005. 416 p.

4. Lebedko E. G. Teoreticheskie osnovy peredachi in-

formatsii [Theoretical foundations of information transmis-

sion]. Saint-Petersburg, Lan' Publ., 2011. 349 p.

5. Vasin V. A., Kalmykov Iu. N. Radiosistemy peredachi in-formatsii [Radio systems for information transmission]. Moscow, Goriachaia liniia - Telekom Publ., 2005. 471 p.

6. Pishchin O. N., Kalambatskaia O. V. Osobennosti rasprostraneniia radiovoln UVCh diapazona v prizemnom i privodnom troposfernom volnovode [Characteristics of UHF radio waves propagation in ground and water surface tropo-spheric waveguides]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychis-litel'naiate khnika i informatika, 2019, no. 4, pp. 115-121.

Статья поступила в редакцию 16.09.2022; одобрена после рецензирования 30.09.2022; принята к публикации 19.10.2022 The article is submitted 16.09.2022; approved after reviewing 30.09.2022; accepted for publication 19.10.2022

Информация об авторах / Information about the authors

Олег Николаевич Пищин - кандидат технических наук, доцент; заведующий кафедрой связи; Астраханский государственный технический университет; o.pishin@yandex.ru

Ксения Павловна Воронина - студент направления «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; Астраханский государственный технический университет; voronk930@gmai1.com

Oleg N. Pishchin — Casdidate of Sciesces is Techsology, Assistast Professor; Head of the Departmest of Radio Commusicatios; Astrakhas State Techsical Usiversity; o.pishis@yasdex.ru

Kseniya P. Voronina — Studest of the directios "Isfocommusicatios Techsologies asd Commusicatios Systems"; Astrakhas State Techsical Usiversity; vorosk930 @ gmail. com