Низкочастотный радиотелеметрический канал на основе пространственно распределенной приемной антенной системы и ортогонального частотного мультиплексирования Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №6,2011

УДК 621.391.1

НИЗКОЧАСТОТНЫЙ РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЙ КАНАЛ НА ОСНОВЕ ПРОСТРАНСТВЕННО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПРИЕМНОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ И ОРТОГОНАЛЬНОГО ЧАСТОТНОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ

© 2011 Г.И. Леонович1, М.С. Сорокин2, А.Ф. Крутов3

1 Самарский научный центр РАН

2 ФГУП "НИИ "Экран", г. Самара

3 Самарский государственный университет

Поступила в редакцию 05.04.2011

Исследована модель низкочастотного узкополосного радиотелеметрического канала на основе двух-координатной пространственно распределенной приемной антенной системы и ортогонального частотного мультиплексирования М-КАМ модулированных сигналов. Проведена оценка параметров радиоканала при воздействии помех для различной размерности матрицы приемных антенн. Ключевые слова: низкочастотный радиотелеметрический канал, пространственно распределенная приемная антенная система.

ВВЕДЕНИЕ

Узкополосные РТС в СДВ, ДВ и СВ диапазонах из-за особенностей радиоканала нашли широкое применение в основном в профессиональной и любительской радиосвязи. В частности, последние достижения в области цифровой обработки сигнала связаны с появлением таких систем передачи информации, как профессиональная система "Подземное радио" (UWC), любительская система "Медленный телеграф" (QRSS) [1 -3]. Современные НЧ РТС характеризуются: применением новых типов антенных систем, использованием эффективных сигнально-кодовых конструкций, методов мультиплексирования, кодирования и сжатия информации с целью повышения качества приема и увеличения пропускной способности.

В представленной статье предложен вариант построения и проведен анализ модели узкополосной системы передачи телеметрических данных от удаленных стационарных или малоподвижных источников, имеющей улучшенные показатели вероятности битовых ошибок в ДВ диапазоне за счет применения модифицированной антенной системы SIMO (Single Input - Multiple Output, одна передающая - множество приемных) и ортогонального частотного мультиплексирования (ОЧМ).

Леонович Георгий Иванович, доктор технических наук, профессор, начальник Поволжского отделения Секции прикладных проблем при Президиуме РАН. Тел.(846) 334-48-10, 242-10-90.

Сорокин Михаил Сергеевич, инженер систем и технологий. Крутов Александр Федорович, доктор физико-математических наук, профессор, проректор по научной работе, профессор кафедры общей и теоретической физики.

РАДИОКАНАЛ С АНТЕННОЙ СИСТЕМОЙ SISO ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ M^AM ОЧM СИГНАЛА

Антенная система SISO (Single Output -Multiple Input) содержит одну передающую и одну приемную антенны. На передающей стороне поток битов преобразуется в символы, которые используются для квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) N поднесущих (рис. 1).

Формирование суммарного КАМ-ОЧМ сигнала осуществляется посредством базисных тригонометрических функций из потока N цифровых символов длительностью T в соответствии с алгоритмом обратного быстрого преобразование Фурье (ОБПФ) [4, 5]:

s(t) = Re-р§ [/(k) + jQ(k)]I ,(i)

где f0 - несущая частота; k - индекс поднесущей; Д f=1/TS - частотный разнос поднесущих; I(k), Q(k) - квадратурная и синфазная составляющие k-й поднесущей; 0 < t < Ts.

В модели радиоканала охранные интервалы можно не использовать, так как для низкодиа-

Рис. 1. Схема формирования суммарного выходного сигнала

пазонных узкополосных сигналов (ДВ и нижний поддиапазон СВ) при малоподвижных передатчиках влияние межсимвольных помех незначительно. Существенно большее влияние оказывают мультипликативные и аддитивные шумовые помехи [6].

В приемнике для восстановления данных производится сглаживание, оцифровка и прямое дискретное преобразования Фурье (ПДПФ) суммарного сигнала с последующим параллельным пороговым определением значений символов, которые в процессе демодуляции переводятся в последовательность битов.

В результате алгоритмической обработки из принятого суммарного сигнала выделяются квадратурные и синфазные составляющие сигналов поднесущих [4]

1 N-1

1 'ik)=N S

n=0

I *(n)cos

-2жк Áfn N

- Q*(n) sin

-2жк Afn

N

, (2)

1 N-1

Q>)=N Z

n=0

Q*(n) cos

-2жк Aft

N

+1 (n)sin

-2xk Aft N

(3)

EVM (k ) =

(/ (k) -1 *(k ))2 + (Q(k ) - Q *(k ))2

12(k) + Q(k )2

Вероятность символьной ошибки для многопозиционной М-КАМ модуляции равна [7]:

P (k) = 1 -

1 - 2 1 -

4M

dt

¡3SNR(k)

, (5)

где М - алфавит многопозиционного модулированного сигнала М-КАМ; ЗЫИ - ОСШ, усредненное по ансамблю траекторий символов одной поднесущей.

Вероятность битовой ошибки в к-м частотном канале определяется как

BER= Pb (k) = -—Ps (k) , (6)

2n -1

где n=log2M.

где I* (п), О (п) - квадратурная и синфазная составляющие суммарного сигнала с учетом помех, отсчитанные по дискретной шкале времени; п - номер временного отсчета.

Качество восстановления символов определяется отношением сигнал/шум (ОСШ), которое согласно [7] примем как SNR = 1/ БУМ2, где БУМ - евклидово расстояние между координатами идеального и реально измеренного символов, равное

ДВУХКООРДИНАТНАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА

При распространении низкочастотного сигнала уровень принимаемой мощности является случайной функцией, зависящей от местоположения абонентов, времени и замираний сигнала. На каждый луч воздействуют мультипликативные и аддитивные помехи, уровень которых может варьироваться в широком диапазоне [4-6, 8].

Применение пространственно разнесенных приемных антенн является одним из эффективных способов повышения помехоустойчивости. Система SIMO реализует механизм пространственно-временной обработки сигналов группой независимых интеллектуальных антенн и приемников. В большинстве беспроводных сетей используют простую коммутацию, чтобы по мажоритарному принципу выбрать антенну с лучшим отношением сигнал/шум [4, 5].

Предложенная двухкоординатная матрица из B=bx ^ by приемных антенн, расположенных с шагом Г=(0,001...0,01) X по оси х и с шагом /y=(2...l0) X по оси у,является составной частью модифицированной системы SIMO (рис. 2).

Система дает возможность многократно идентифицировать принимаемый КАМ-ОЧМ сигнал в предельно узком интервале времени At ~ (bx - 1Х/с с целью эффективного выделения символов на фоне помех [9].

Например, при by=bx=3 и / =0,005 X параметры k-й поднесущей (k-го символа) на первом этапе определяются по трем отсчетам по координате х, выполненным в моменты времени t,

(4> к

Рис. 2. Структурная схемадвухкоординатной SIMO

n-1

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №°6,2011

t2=t + Д t/2, t2=t+ Д t в пределах сотой доли периода поднесущей. Дальнейшая обработка сигналов по координате у осуществляется по стандартному алгоритму. При этом для сбора данных с удаленных приемников используется, например, УКВ диапазон или ВОЛС. В результате для принятия системой решения о значении символа достаточно периода поднесущей. Возможны и другие варианты сбора и обработки принятых сигналов.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОГО РАДИОКАНАЛА SIMO - ОЧМ - M-KAM

Оценка эффективности модифицированной системы SIMO - ОЧМ - M-KAM проводилась с применением имитационного моделирования. Задавался псевдослучайный аддитивный и мультипликативный помеховый сигнал, воздействующий на систему из B=b v b антенн с приближающейся

х X У

точки, при этом учитывался пространственно-временной сдвиг сигнала и воздействующей помехи. По результатам моделирования строилось сигнальное созвездие (рис. 3).

Далее на основе формулы (4) определяется усредненное значение EVM(k) по В измерениям, после чего по формулам (5) и (6) вычисляются значения символьной и битовой ошибок на частотном канале с наихудшим ОСШ.

На рис. 4 отображены зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для матриц приемных антенн различной размерности (bx=by) Из характера изменения кривых видно, что с увеличением количества антенн BER резко уменьшается при высоком уровне помех. Как показывает анализ сигнальных созвездий, наиболее суще-

Рис. 4. Зависимость ВЕR от ОСШ при В=1, 3, 9, 16, 25, 36, 49

ственный выигрыш достигается за счет линейки b , если источник помех находится на оси y.

В процессе исследования было выявлено максимальное влияние даже малой помехи на первую поднесущую ОЧМ символа, что обусловлено особенностями ОБПФ. Поэтому целесообразно не использовать первую поднесущую в качестве информационной составляющей сигнала. Тогда, например, при 16-KAM, полосе символа (N-1) Д f=1 кГц и расстоянии между под-несущими Д f=2 Гц спектральная эффективность составляет 3,992 бит/с/Гц.

Пропускная способность SIMO - ОЧМ - M-KAM радиоканала определяется по формуле

С = £ v llog2 M + P(k )log2

k=o V

+ (1 - P( k ))l0g2(1 - P( k) )

P(k) N M -1,

(7)

Q'(k)

* . . /

* * V

ШЬлмТк, h)

ti* * 4

• Г • i * t

0J

* " ) - 5 2 i ■ i ¡ I i i

1 • ( i¡ •

• V »

At*

»

ш —v

Рис. 3. 16-КАМ созвездие, полученное при имитации белого шума, воздействующего на матрицу антенн 3 х 3

36 A 6 / / 9 3 /1

4Э — 11 25/

■25 "20 "15 "10 "5 0 5 10 15 20

ОСШ на бит, дБ

Рис. 5 Зависимость скорости передачи от ОСШ при В=1, 3, 9, 16, 25, 36 и 49; N=16; М=16; Дf=2 Гц

где k=0...N-1, N - количество символов; M - алфавит M-KAM.

Соответственно с ростом В и увеличением ОСШ пропускная способность стремится к предельному значению, что позволяет применить модуляцию с М=64, 128, 256 и более (рис. 5). Использование адаптивной модуляции дает возможность варьировать скорость передачи данных в широких пределах, обеспечивая прием телеметрических данных с BER=10-6...10-9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение методов многократной идентификации ОЧМ - М-КАМ сигнала в предельно узком интервале времени посредством модифицированной системы SIMO позволяет существенно уменьшить вероятность символьных и битовых ошибок при воздействии различных видов помех, характерных для низкочастотного диапазона. Это создает перспективы для разработки РТМС для стационарных и малоподвижных источников данных, устойчиво функционирующих на длинных и средних волнах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Leaders in Through-The-Earth Communication. URL: http://www.vitalalert.com

2. Радиосвязь в режиме QRSS. URL: http:// www.ruqrz.com/?p=1973 (дата обращения 15.03.2011).

3. MIMO Formats - SISO, SIMO, SIMO, MU-MIMO. URL: http://www.globalspec.com (дата об-ращения 15.03.2011).

4. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахно-вич И.В. Широкополосные беспровод-ные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005.

5. Леонович Г.И., Логвинов Л.М. Космические и наземные системы радиосвязи и сети теле-радиовещания. Самара: Самарский научный центр РАН, 2008.

6. Помехи и распространение радиоволн. URL: http: //6p3s.ru/qrn.php (дата обращения 15.03.2011).

7. Ньюман Э. Оптимизация приемника при помощи анализа модуля вектора ошибки // Беспроводные технологии. 2007. №4. С. 57-60.

8. Защита от радиопомех. [под ред. Максимова М.В.]. М.: Советское радио, 1976.

9. Мелентьев В.С., Батищев В.И., Леонович Г.И. Метод определения амплитудного значения гармонического сигнала по ортогональным составляющим // Тр. 6 Всеросс. научн. конф. с междун. уч. Часть 4. Информационные технологии в математическом моделировании. Самара: СамГТУ, 2009. С. 95-98.

LOW-FREQUENCY RADIO TELEMETRY CHANNEL ON THE BASIS OF SPATIALLY DISTRIBUTED RECEIVING ANTENNA SYSTEM AND ORTHOGONAL FREQUENCY-DIVISION MULTIPLEXING

© 2011 G.I. Leonovich1, M.S. Sorokin2, A. F. Krutov3

1 Samara Scientific Centre of Russian Academy of Sciences 2 FSUE "NII "Ecran", Samara 3 Samara State University

The model of the low-frequency radio telemetry channel on the basis of two-dimensional spatially distributed receiving antenna system and orthogonal frequency-division multiplexing of m-QAM signals is investigated. Quality estimation of the radio channel parameters by influence of the noises is performed carried out for various array dimensions of the receiving antennas.

Key words: low-frequency radio telemetry channel, two-dimensional spatially distributed receiving antenna system

Georgy Leonovich, Doctor of Technics, Professor, Chief of Volga Region Branch of Section of Applied Problems at Presidium of the Russian Academy of Sciences. Tel. (846) 334-48-10, 242-10-90. Mikhail Sorokin, Engineer of Systems and Technologies Alexander Krutov, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Vice-Rector on Scientific Work, Professor at the General and Theoretical Physics Department