CC BY
145
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕС1НИК № 3 (83) 2009
10. Родс. Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию [Текст) /Д. Р. Родс;пер. с англ.; под ред. Л.Д. Бахраха. - М.:Сов. радио, 1960. — 159 с.
11. Свиридов Э.Ф. Сравнительная эффективность моноим-пульсных систем пеленгации [Текст] / Э.Ф. Свиридов. — Л. : Судостроение, 1964. — 116с.
12. Леонов, А.Н., Фомичев, К.Н. Моноимпульсная радиолокация (Текст) / АН. Леонов, КН. Фомичев, — 2-е изд., доп. и пе-рераб — М.: Радио и связь, 1984. —312 с.
13. Ширман, Я Д. Разрешение и сжатие сигналов [Текст) / Я Д. Ширман. — М.: Сов. радио, 1974. — 360 с.
14. Золотарёв, И.Д. Исследование прохождения радиоимпульсов с прямоугольной огибающей через систему укорочепия «колебательный котур-резистор» [Текст) / И.Д. Золотарев // Магнитные и электрические измерения : межвуз. сб. - Омск : ОмПИ. 1980. - С. 135-138.
15. Золотарёв, И.Д. Временное разрешение радиоимпульс -ных сигналов системой укорочения [Текст] / И.Д. Золотарёв, СП. Седельников // Электронные и электромагнитные измерительные устройства и преобразователи : межвуз. сб. науч. тр. — Омск: ОмПИ, 1981. - С. 93-97.
16. Золотарёв, И.Д. Исследование фазовых соотношений при высокочастотном дифференцировании радиоимиульсов с прямоугольной огибающей [Текст| / И.Д. Золотарёв, С.И. Журавлёв // Электронные и электромагнитные устройства в измерительной технике : межвуз. сб. тр. — Омск : ОмПИ, 1982. — С. 141-145.
ЗОЛОТАРЁВ Илья Давыдович, доктор технических наук, профессор кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского.
Адрес для переписки: e-mail: izolotarov(S>navsystem. ru БЕРЕЗОВСКИЙ Владимир Александрович, кандидат технических наук, директор Омского НИИ приборостроения.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 17.09.2009г.
© И. Д. Золотарёв, В. А. Березовский
УДК 621.396 24 в. Л. ХАЗАН
Д. В. ФЕДОСОВ Д. А. КОРНЕЕВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ПО КВ КАНАЛАМ СВЯЗИ ПРИ ЧАСТОТНО-РАЗНЕСЕННОМ И РЕГИОНАЛЬНО-РАЗНЕСЕННОМ ПРИЕМЕ СИГНАЛОВ_________________________________
В данной статье рассматривается проблема разнесенного приема в КВ каналах связи. Как известно, для борьбы с замираниями в декаметровых каналах связи (КС) существует множество методов, так называемого, разнесенного приема (РП). РП играет большую роль в борьбе как с замираниями в каналах связи, так и с влиянием аддитивных помех от посторонних радиостанций. В работе дается более точная оценка выигрыша при частотном и региональном РП. Эксперимент проводится с помощью имитационно-аналитического моделирования.
Ключевые слова: коротковолновая связь, разнесенный прием, моделирование, коэффициент исправного действия.
Существует множество методов разнесенного приема [1,2 и др.].
Активные методы разнесенного приема, которые требуют участия передающей стороны радиолинии:
— разнесение по времени — несколько версий одного и того же информационного сигнала передаются в разное время;
— частотное разнесение — сигнал передастся параллельно по нескольким частотным каналам;
— часто тно-временное разнесение — сигнал передается с повторением на разных частотах.
Пассивные методы разнесенного приема, которые истребуют участия передающей стороны радиолинии:
— пространственно-разнесенный прием — сигнал принимается на разные антенны, разнесенные в пространстве на расстояние, во много раз превышающее длину волны;
— регионально-разнесенный прием — сигнал принимается разными приемными центрами, разнесенными на сотни километров друг от друга;
— поляризационно-разнесенный прием — сигнал принимается с помощью антенн с ортогональными типами поляризации.
— разнесение по лучам — сигнал принимается с помощью фазируемых ан тенных решеток, имеющих в вертикальной плоскости узконаправленные диаг-
раммы, способные производить селекцию отдельных лучей, имеющих разные широтные утлы направлений прихода в точку приема сигнала.
Исследуем эффективность частотно-разнесенного и регионально-разнесенного методов приема сигналов. Если каналы связи некоррелированные, то, зная коэффициент исправного действия (КИД,) одного индивидуального канала связи, легко определить КИДп п разнесенных каналов связи:
КИД, = 1-(1-КИД,)" (1)
Однако при частотном и региональном разнесении каналы в среднем коррелированы, так как имеют одинаковые средние значения уровней сигналов.
Представляет практический интерес определить энергетические потери, которые имеют место в реальной ситуации, отличающейся от описываемой уравнением (1).
Исследования надежности передачи сообщений по КВ КС с разнесенным приемом сигналов будем проводить методом имитационно-аналитического моделирования.
Канал связи будем считать однолучевым, что всегда справедливо для сигналов, имеющих длительность элементов намного превосходящую максимально возможную разность хода лучей.
Имитационно-аналитическая модель КВ канала связи
Понятие многолучевости канала связи (КС) является относительным. КС для систем с высокой скоростью манипуляции, когда длительность элемента сообщения не превосходит разность хода лучей, является многолучевым. Для систем с низкой скоростью манипуляции, когда длительность элемента сообщения во много раз превышает разность хода лучей, этот же КС можно считать однолучевым [3].
Отношение сигнал/помеха на выходе КС обусловлено уровнями сигнала и аддитивных помех. Основными аддитивными помехами являются атмосфер-ные шумы и помехи от посторонних радиостанций (станционные помехи). Законы замираний сигналов и помех изучены достаточно хорошо [4,5 и др.] и могут быть воспроизведены с помощью ЭВМ с доста-
точной степенью адекватности. Поэтому не составляет большого труда получить поток ошибок, который будет идентичен реальному потоку ошибок на выходе дискретного канала связи (на выходе регенератора).
Рассмотрим более подробно канале медленными замираниями сигнала и с постоянным уровнем шума. Значение амплитуды сигнала на входе приемного устройства А2(1) зависит от коэффициента передачи среды распространения 11(1):
А2(1) = А, ц (I), (2)
где А, — амплитуда сигнала на входе континуального канала связи, включающего в себя среду распространения.
Законы замирания станционных помех принципиально не отличаются от законов замирания сигнала. В первом приближении станционные помехи можно считать шумоподобными с ограниченным спектром, со спектральной плотностью мощности, которая изменяется согласно закону замирания данной помехи. Спектральная плотность мощности атмосферного шума меняется относительно мед\енно и для отдельных сеансов связи может считаться постоянной. Зная спектральные мощности станционных помех и атмосферного шума, а также уровень полезного сигнала для каждого момента времени I, можно определить отношение Н2(1) сигнал/помеха, а следовательно, и вероятность ошибки элемента сообщения Раш(Ц'.
1
РоЛ 1) = -е А' . (3)
где М = 2 для ЧМ сигналов иМ = 4 для АМ сигналов.
В свою очередь, зная вероятность ошибки элемен-та можно сформировать конкретную реализа-
цию вектора ошибки В(1).
Суть метода имитационно-аналитического моделирования однолучевого дискретного КС с замираниями сигнала и помех поясняется на рис. 1.
На этом рисунке в верхней левой его части приведена зависимость вероятности ошибки элемента сообщения от отношения сигнал/помеха. В нижней левой части рисунка показана осциллограмма изменения уровня /-/отношения сигнал/помеха при их независи-
Всроятиосіь ошибки мала
Залисимостъ вероятности ошибки Зависимость вероятности ошибки
э лемента от отношения енги&д'помеха И элемента от времени при замираниях
001 0 001
Вероятность
ошибки
велика
I Зависимость Н от времени при замираниях сигнала и помех
Группирование ошибок элементов с учетом замираний сигнала и помех (поток ошибок)
Рис. I. Метод имитационно-аналитического моделирования дискретного канала связи с переменными параметрами (с замираниями)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (83) 2009 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ вестник И* 3 (83) 2009
%
Рис. 2. КИДКВ КС при различных значениях мощности и видах манипуляции
а б
Рис. 3:
а - КИД КС с АМ сигналами (некоррелированные разнесенные по частоте КС); б - КИД КС с АМ сигналами (коррелированные в среднем разнесенные по частоте КС)
мых замираниях. В верхней правой части рисунка приведена временная зависимость вероя тности ошибок элементов сообщения, обусловленная замираниями сигнала и помех. Ниже этой зависимости приведена осциллограмма вектора ошибок, отражающая их группирование, которое соответствует отношению сигнал/помеха в те или другие момиггы времени. Данная модель соответствует случаям передачи по КВ КС низкоскоростных АМ и ЧМ сигналов.
Описание вычислительного эксперимента
Целью вычислительного эксперимента, заключающегося в имитации трассовых испытаний КС, является оценка надежности связи, а также сравнение КИД двух или большего числа систем связи и опреде-й ление энергетического выигрыша/проигрыша этих 8 систем относительно друг друга. Испытания для дос-* тижения этой цели проводят при различных значе-£ ниях мощности передающих устройств и определяют
2 зависимости КИД от мощности передатчика. Зная эти І зависимости, можно легко оценить энергетический I выигрыш/проигрыш одной системы связи по отно-шению к любой другой в данных условиях связи. Описанная методика проведения трассовых испыта-
ний положена в основу определения энергетического выигрыша/проигрыша при моделировании частотного и регионального РП в КВ КС.
Вначале посредством имитационного моделирования трассовых испытаний исследовалась зависимость КИД КС от мощности передатчика для АМ и ЧМ сигналов. Мощность передатчика изменялась с дискретностью 1 дБ. Результаты вычислительного эксперимента представлены на рис. 2.
Результаты вычислительного эксперимента подтвердили общеизвестные факты:
1. КС с ЧМ сигналами энергетически выигрывает у КС с АМ сигналами 3 дБ [1 ].
2. Увеличение мощности передатчика на 10 дБ увеличивают КИД КВ КС в районе значений 50 % на 20-30% [6].
Рассмотрим случай РП по частоте при приеме двух АМ сигналов с взаимно инверсными по фазе манипулирующими последовательностями (ЧМ сигнал с большой девиацией частоты). На приемном конце радиолинии оба сигнала могут складываться посредством автовыбора телеграмм или автовыбора элементов. Вероятность возникновения станционной помехи в обоих АМ КС одинаковая, однако, в отличие от ЧМ КС, для каждого частотно-разнесенного АМ КС
Рис. 4:
а - КИД КВ КС при 1, 2 и 4 приемных устройствах (некоррелированные КС), б - КИД КВ КС при 1,2 и 4 приемных устройствах (коррелированные в среднем КС|
Таблица I
Энергетический выигрыш КС с РП по отношению к КС с одиночным АМ сигналом
Независимые каналы РП
КИД=50% КИД=80%
Количество приемников 1 2 3 1 2 3
Выигрыш. дБ 10 = 17 - 16 27 -
Коррелированные (в среднем) каналы РП
Выигрыш. дБ 8 15 =20 13 20 25
факт появления станционной помехи определяется индивидуально. Средний уровень сигнала и конкретные реализации для каждого сеанса связи в разнесенных каналах задаются индивидуально; средний уровень помех во всех каналах имеет различное значение, распределенное по логарифмически-нормальному закону [5]. Результат моделирования представлен на рис. За, где приведены зависимости КИДдля одиночного канала связи и КИД для двух независимых АМ КС с частотным РП. На этом же рисунке в виде пунктирной линии приведена зависимость КИДдля двух АМ КС, рассчитанная по формуле (1). Из приведенного рисунка видно, что оба метода определения КИД для двух частотно-разнесенных и некоррелированных АМ КС дают совершенно одинаковый результат. Энергетический выигрыш по сравнению с одиночной передачей АМ сигнала составляет, в зависимости от уровня КИД, от 5 до 13 дБ.
Теперь рассмотрим более реальный случай, когда средние значения уровней сигнала в частотно-разнесенных АМ КС имеют одинаковые значения. На рис. 36 показаны результаты имитационного моделирования трассовых испытаний, с помощью которых определен КИДдля коррелирован пых в среднем частотно-разнесенных АМ КС.
Из рис. 36 видно, что корреляция КС уменьшает энергетический выигрыш по сравнению с некоррелированными КС приблизительно на 2 — 3 дБ.
Учитывая то, что при РП автовыбор битов дает наибольший выигрыш [2], при моделировании регионально-разнесенных КС рассмотрим лишь этот метод сложения разнесенных сигналов. Пусть имеется 1,2
и 4 регионально разнесенных КВ приемных центров. При моделировании трассовых испытаний рассмотрим 2 случая: средний уровень амплитуд во всех каналах различен и распределен независимо по логарифмически-нормальному закону (КС некоррелированы) и КС имеют одинаковый средний уровень сигналов, который также распределен пологарифмически-нор-малыюму закону. Результаты моделирования этих двух вариантов КС приведен на рис. 4а и 46.
Соответствующий энергетический выигрыш КС с РП по отношению к КС с одиночным АМ сигналом для указанных двух вариантов РП при различных значениях КИД представлен в табл. 1.
Как видно из таблицы и [рафиков, при различных условиях РП можно получить различный выигрыш по мощности. В случае коррелированных в среднем КС при РП энергетический выигрыш несколько уступает энергетическому выигрышу РП при некоррелированных КС. Однако в любом случае выигрыш по мощности порядка 10 дБ за счет одного дополнительного приемного центра экономически намного выгоднее увеличения мощности передатчика в 10 раз.
Выводы
Проведенные вычислительные эксперименты доказывают:
1. Наличие корреляции в индивидуальных КС с РП снижают значения КИД, полученные расчетным путем для случая некоррелированных КС.
2. Частотно-разнесенный и регионально-разне-сенный прием сигналов значительно увеличивают
КИД КВ КС и являются экономически выгодными методами повышения надежности связи.
3. Низкоскоростную передачу сигналов с ЧМ целесообразно осуществлять с большой девиацией и принимать поднесущие сигнала индивидуально, как два частотно-разнесенных АМ сигнала.
Библиографический список
1. Фннк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Сов. радио, 1970. — 727 с.
2. Хазан В.Л. Математические модели дискретных каналов связи декаметрового диапазона радиоволн : учеб. пособие. — Омск: Изд-во ОмГГУ, 1998. - 107 с.
3. Прокис Дж. Цифровая связь. — М.; Радио и связь, 2000. — 798 с.
4. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне. - М.:Связь, 1975. — 232с.
5. Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность КВ связи. — М.: Связь, 1977. — 135 с.
6. Коноплева Е Н. О расчете надежности радиосвязи на коротких волнах. // Электросвязь. — 1967. — № 11. — С. 36 — 38.
ХАЗАН Виталий Львович, доктортехнических паук, профессор кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ФЕДОСОВ Дмитрий Витальевич, кандидаттехничес-ких наук, доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
Адрес для переписки: e-mail: fedosov-hazan@vandex. ru КОРНЕЕВ Дмитрий Алексеевич, инженер кафед-ры«Средства связи и информационная безопасность».
Адрес для переписки: e-mail: korneev d [email protected]
Статья поступила в редакцию 06.09.2009г.
© В. Л. Хазан, Д. В. Федосов, Д. А. Корнеев
УДК 681.393 з Е. И. АЛГАЗИН
А. П. КОВАЛЕВСКИЙ В. Б. МАЛИНКИН
Новосибирский государственный технический университет
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск
ИНВАРИАНТНАЯ СИСТЕМА ПРИ НЕЛИНЕЙНОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ_________________________________________________
Синтезирована инвариантная система обработки информации на основе нелинейной обработки. Нелинейная обработка сводится к вычислению модулей информационного и обучающего сигналов. На передаче модулирующий параметр вложен в отношение модулей информационного и обучающего сигналов. На приемной стороне вычисляется отношение этих модулей. При расчете параметров такой системы принято допущение, что отсчеты поднесущей зашумлены аддитивной помехой и некоррелированы между собой. Произведено сравнение количественных оценок работы такой системы с количественными показателями классической системы с амплитудной модуляцией и с характеристиками инвариантной системы на основе расширенного синхронного детектирования. Ключевые слова: помехоустойчивость, инвариант, вероятность попарного перехода, отношение сигнал/шум.
1. Введение
В работах [1— 5| исследовались инвариантные системы передачи информации, которые имеют различные вероятности попарного перехода.
Следует отметить, что указанные выше инвариантные системы имеют существенно лучшие характеристики по сравнению с классическими системами амплитудной модуляции при комплексном воздействии помех.
Выигрыш в помехоустойчивости инвариантных систем объясняется тем, что модулирующий пара-
метр вложен в отношение энергий информационного и обучающего сигналов.
Однако следует отметить, что поиски построения подобных инвариантных систем не прекращаются. Данная статья посвящена дальнейшему исследованию характеристик инвариантной системы при использовании нелинейной обработки сигналов.
2. Постановка задачи
Имеется канал связи, ограниченный частотами / и /в. Временную динамику каналов с переменными
