CC BY
165
УДК 621. 391.2
О ВЛИЯНИИ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИГНАЛОВ КВ МОДЕМОВ нл ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Ю. В. Романов
АО «ОНИИПл, с. Омск, Россия
Лшююашт В докладе показано, что для любого типа КВ модемов повышение спсктральнсп эффек
I IIК Н11Г I II ППК1.1И <Л 1[1ИНИЦК1 И11]1И.|Ка 1 ОМ I/(гХГц) 1Ц1ПКП1111 КГ СНИЖЕНИИ» 1НС111 1>| нчикин ^(Цт НКН11Г1И
модема. С ущественное повышение скорости передачи данных в КВ канале при сохранении энергетической эффективности возможно за счет расширения полосы сигнала. Показано, что традиционный для
распространенных KB модемов режим с информационной скоростью передачи данных 9600 бпт/с в полосе 310U 1'п уступает по энергетической эффективности варианту реализации этой же скорости в утроенной полосе частот от L4 до 40 раз по мощности. Предложено легализовать в РФ использование в KB диапазоне форм сигнала с полосой до 40 кГц.
Ключевые слова: KB модем, энергетическая эффективность, спектральная эффективность, полоса частот.
Вн^дьниь
OiLbi. oG_u.tr ни* с шлребнкммын CKCitu ирофессииыальыок KB ргмиониин лилазьшасгг, но a болышшс1ье случаев у них отсутствует понятие о существовании таких показателен, как спектральная н энергетическая эффективность. соответственно. и об их взаимосвязи.
Постановка за~ачи
Цель данного доклада показал» на конкретных примерах взаимосвязь между указанными показателями, а также предложить корректную методику для сравнения различных радиомодемов по указанным показателям применительно к реальным системам передачи данных.
Анализ будет осуществляться на уровне KB радиомодема (далее - модема), т.к. в системе связи именно модем определяет рассматриваемые показателя. Под модемом будем понимать устройство нлн программу-, осуществляющие лресбразосапне сообщения в сигнал (в режиме передачи) и спгпала в сообщение (в режиме при г мл) Сосп кг тисню к м».1к*мг молп содержи'i "кс и не lo.ihKit MiviyJin г<1||/дгМ1У1ула-|1!р. нл и Mvirp^l^t'WT F«> лн не оговорено inicro. то рассматривается мед»! для работы отраженной oí ионосферы оолпой.
ТЕОРИЯ
ВнР,1ГМ ПОНЯ I ИИ ГНГК IJKIJIKHOH И МН^НПИЧСГКОЙ »ф|[|П1ИКН«К:1И
Под спектральной эффективностью понимают отношение ипоормацпеппои скороетп передали данных к
-фйГртМНЙ ДЛИ ttíirt НГЧГНИИ чти ГК€)]ХК"1И IICU It КГ НЙШП1 [1, ?.] СсХУГИГПТИГНН», ]КПМГрНСМ71ЪЮ Г11СК1|1Ш№Н11Й
сфоектнвпости является 6ш/(суГц)
Hi-. lk¡i-1>.ивыА хржхах в KB диапазоне и модемах «_■ полосой сiандархнло гемефомною ка.чала (СТК) 5100 Гц. обычно [3]. не используют скорости информационной передачи данных выше 9600 сит/с. соогает ственно. спектральная эффективность модема в этом случае составляет порядка 3.1 бнт^схГц).
.)нергет11ческую эффективность в теоретических исследованиях оценивают отношением требуемой энергии на сиг (Еь) к спектральной плотности мсщностк шума (No)- но с практической точке зрения при работе с реальными модемами удобнее измеряв отношение среднкх мощностей сигнала и шума (SNR - Signal-to-Noise Ratio) в полосе сигнала [2]. Далее при оценке модема как законченного продукта мы будем пользоваться именно практическим (инженерным) подходом, выражая соотношение сигнгл/пг/м в децибелах (дБ).
Соотношением Ey'No удобно пользоваться на этапе теоретических исследовании, когда различные решения, например, еилы модуляции, сравниваются умозрительно.
Какое бь: из двух определении энергетической эффективности ни было выбрано, необходимо договориться о том при какой RrpoímmcTH отггибки булгт определять.-я пк^гшпггтм ^офгкттгенгч-ть
Для корректности сравнения различных модемов необходимо пепользевать битовую вероятность ошкбкн (Bi. En oí Rale — BER). а не символьную. г. к. информационна» емшпъ CHAiuoj-a а разлитых модемах миле i различаться.
На рнс. 1. приведена кривая помехоустойчивэсти одного из серийных отечественных модемов со слабым помехоустойчивым кодом в «плохом» (по 1ÍU-R Ксс. Ь.Ь2(Л канелс прн скорости передачи данных 4Ь00 бит/с.
Подобное поведение кривой номехоуетойчнвсстн в сложных многолучевых каналах характерно для всех модемов синхронной передачи данных без оцсннватсля импульсной передаточной характеристики (НИХ), широко распространенных в РФ.
Известен случай, когда при формировании УГЗ на модем н оконечную аппаратуру описанная особенность не была учтена, в результате чего номинальная вероятность бнтовей ошибки модема и оконечной аппаратуры оказались несогласованными на порядок (}% н 0.3% по BLR)
Компенсация указанной ошибки требует не менее чем десятикратного увешгчепня энергетики радиолинии, как глгдуп № риг 1
На этом примере мы видим, что пепонпмаине особенностей радномодемов может привести к тому, что вме с:го иг]к7|»1чика мшцмкпьк: 1 »Вт иридтч-м спакигь iiqr^i^HN мпцнипьк 10 >.Ri либо допики ткем иншшжч-ного повышения энергетики радиолинии за счет более эофектнвпых ангела.
: 9 11 и 1> 1.» 1у 21 23
SSHtß
Рис. 1. Зависимость битовой вероятности ошибки ст соотношения сншал'шум
Традиционно! атя модемов передачи данных фанзового типа является сравнение помехоус тончнвости при У1Х1К-** бтокой ошибки 1x10
Чем больше размер слока данных. тем более мощный помехоустойчивый код можно пспольоооать. получив больший энергетический выигрыш от ксдировгякя. Соответственно, помехоустойчивость модемов корреюно сравнивать при одинаковой длительности блока данных.
Сразисннс помсхоустопчнвсетн различных модемов также необходимо производить при равных информа-цкониых скоростях передачи давних, т.к. потребителя интересует не абстрактная помехоустойчивость, приведенная к биту - E/Ny, а передача дашпдх с конкретной скоростью.
F.;-ЛИ ОГрРЧИГЛГННМГ ККНИГ ПОДХОД*! 1 ЫЦ1]»ГК гному < ]МКНс-ЬИИ1 ,ЦМ7|7ИОЧНО ХОрОНЮ (ШНГЛНЫ Н ИИ1Гр<11урГ, го
влияние пик факторе (PAPR - Реек То Avcragc Power Ratio') сигнала па реслыше системы передачи данных для многих не очевидно
Пюс-фактор - это отношение максимальной (пнковой) мгновенной мощности сигнала к его средней мощности. Прк таком определении инк-фактор нсмодулиреваЕнэй несушен составляет 5 дБ. постоянного тока - 0 дБ
В некоторых источниках за пик-фактор 0 дБ принимают пик-фактор несущей, т.е. все значения оказываются на 3 дЬ ниже, чем приняты? здесь.
Вероятно, недооценка пик-фактора обусловлена разрывом между теорией н практикой. В теоретических трудах интересуются отпсше1шем срешшх мощностей сигнала и шума. а в реальных системах передачи данных у ]мдиоиг1>гдлни11гт уп]).1Йпн^ (и'.иничгч;! нг г]х-днн* и.хлучлгмии мощноеггк. и иикочии
Соответс1ве1шо. если переходить с уровня модема па уровень системы связи, то необходимо ^тнтыэать еще один показатель модема - лик-фактор сигнала Разница по этому показателю между различными модемами при различных скоростях передачи данных может превышать 10 дБ
Особенно большой проигрыш по пнк-фпктору при переходе от форм сигнале. с низкой спектральной эффективностью к формам сигнала с высокой спектральной эффективностью наблюдается в последовательных модемах Это обусловлено тем. что в параллельных модемах вне зависимости от выбранной формы сигнала сама многокакальность обеспечивает уже достаточно большое значение пик-фактора. Таким образом, проблема пик-фактора актуальна для любых модемов, работающих в режимах с зысокой спектральной эффективностью [4].
Vl JIOKHUrH 1111Д />Н!|)1Г111ЧГ1'к1)Й 4«>Ы 1КН1Ч TKHI 1И1НЯЛН Н V.4KOM 1 Mhü'Jir I ЮНИМ/1 I K 1К»МРХ0уГ10МЧНК1К:0», к
широком смысле - совокупность помехоустойчивости и пик фактора.
Таким образом, для корректного сравнения различных модемов по энергетической эффективности в контексте систем передачи пашнях необходимо:
анолизнрозать зависимость битовой (ВЬК) (о не символьной) вероятности ошибки от соотношения енг-нил/шум (ЯЫК)
-использовать одинаковый порог по ВЕЯ. соответствующий требованиям целевой системы (в нашем случае -1*10
-использовать одинаковый по хтительиосги размер блока данных:
— ИГМ0.1КЧ0К<ПН ИДИ НИ ».оку К) информационную Г.КО|М»['1Ь НГр-ДИЧН .чинных,
- учитывать пик-фактор сигнала.
Также можно оденнвать влияние тоге или иного параметра конкретного модема на энергетическую эффек-
ГИКНОСГК. «К[|ИН(-И[Х)КИК (Х1ЯЛМ4ЫГ 11И]К«МГГ||1М
Рис. 2. Кривые помехоустойчивости для различных видов модуляции
РЫУЛЫА1Ы ЭКШЬШШаЬ'.Ш
Наиболее существеииым заблуждением мпогих пользователей относительно свойств модемов является представление о существовании линейной зависимости между пстребной мощностью радиопередающего устройства V достижимой на реялт»чой ряднотрагсе при работе ч фиксированной полос? гкорпсткто передачи данные
Покажем теоретически, а потом и на конкретных примерах, что данное заблуждение приводит к достаточно большим погрешностям при опенке возможностей реальных систем передачи данных.
Следует отметить, что реальные системы передачи данных ограничены по полосе сигнала, соответственно, рост скорости передачи данных не может быть обеспечен без увеличения спектральной эффективности сигнала.
Па рис. 2 показана помехоустойчивость различных видов модуляции при когерентном приеме в канале с постоянными параметрами и АБГШ [3].
Мы видим, что в случае с мнегопешпионнымн сигналами фазовой манипуляции помехоустойчивость не снижается только грн переходе от однократной к двухкратной манипуляции Дальнейшее повышение спск-тргльной эффективности за счет увеличения познгаховности сигнала приводит к падению помехоустойчивости.
Если сравнивать многапознцнонные сигналы фазовой маннпуляшга н многопознцнонные сигналы квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), то при числе позиций более Ь фазовая манипуляция заметно проигрывает квадратурной амплитудной манипуляции. по причине чего сигналы фазозсй манипуляции с числом сигнальных точек 16 или более практически ае используются Физически это объясняется большим евклидовым расстоянием между сигнальными точками в случае с КАМ. т.к. сигнальные точки расположены i:e па окружности. а на плоскости, что позволяет более эффективно использовать площадь.
Огмпии. что ккадтилурная амплитудная манипуляция якляпги частным глучагм амплитудио-фачокой ма-ннпуляцпн (АФМ APSK — Amplitudе and Phase-Shift Keying). Распространенность КАМ обусловлена удобством в реализации, хотя в плане помехоустойчивости известны и более эфоектнвиые не квадратые сигиалыгые со :<нгсди* TTjik -пом но многих «pyiirжкмх источниках нг рачличакгг данные килы мининул>ции иснолксум одно обозначение - QAM.
Также нетрудно заметить, что поэышенпе спектральной эффективности на каждый следующий бит в секуп ду на Герц в пределах одного вида модуляции требует примерно одинакового увеличения соотношеиня енг-
НалЛиуМ [1 НО О ГНСЧ'И lf.i:KHhl Й I ipHJМГ Г ГНГЩраЛННОЙ -)||фсынкн<х ГИ ГИ1На.1Н |:ри -ÍIOM нее мгнкшг н мгнь-
ое. Соответственно, чем выше текущая спектральная эффективность, тем дороже, с энергетической точки зрения. обходится ее повышение.
Если говорить про выпускаемые серийно KB модемы, го в полосе 3100 Гп наиболее выгодные энергетически сигналы олиократной v двукратной фачояой манипуляции позволяют обеспечить инфермяцчонные скорости передачи данных порядка 1200.. 1500 и 2400 . .3200 бит/с соответственно.
Сигналы трехкратной фазовой манипуляннн проигрывают уже не только по пик-фактору, но н по помехо-уГГОИЧИНОПИ, ООГСИГЧИКПМ К МО.ЦРМЛХ ГИОТИК1 и информационной ПГрГ,^ЧИ Д.-1ННК X ДО 3700 4800 би|/|-
Начиная со скоростей порядка 4800.. 6400 бит/с разработчики вынуждены переходить к сигналам амплн-тудно-фазовой манипуляции. обладающим не только меньшей помехоустойчивостью. но н заметно большим пик-фактором [1].
В широко распространенных системах передачи данных с полосой 3100 Гц для работы на скачковых ipaceax не использовались модемы с информационной скоростью выше 9600 бнт'с (которой соответствует 64-QAM сигналы), в т.ч и по причине того, что требуемое для нх работы соотношение сигнал/шум не обеспечивалось у<кг на к к! ход г раднопгрг.^ниипо устройпна (РТТДУ), кненящгт, недопустим мг с: очки фгшн vih;x ошници-онных сигнальных созвездий искажения. Р1скажения. воспринимаемые модемом как влияние шума, возникают за счет в1гутрнполес1гых шгтермолуляцпоппых искажений и иаразггпюй амплитудной машшуляцнн в РПДУ.
Внедрение в радиопередающие устройства технологии цифровых предыскажений (линеаризации^ позволяет снизить уровень нелинейных комбинационных искажений третьего порядка приблизительно до минус 50.. .55 дБ относительно мощности двухголового испытательного стлала в пш:е огибающей (PEP). При работе с высокоскоростным модемом это позволяет ожидать увеличения модемом сценок соотношения сигнал'шум на ныход-РТТДУ до чначгний и'рч.тка *"0дЕ [íí], гоогкгпткенно. иоякпипги шнмижнсктк исиплксонинии и модгмг сигналов с большой кратностью мгинпуляции - порядка 23¿8.. 40S6-QAM.
Рассмотрим энергетнческлто эффективность в узком и широком смысле па конкретных примерах, опалки ваясь ог требований к последовательным модемам действующего стандарта ívdL-STD-188-1 ЮС.
Дл* Плоха данных длитглинежтып 9 6с:гкунды и nojxiia но BF.R на урокнг 1 >с 10_э с тандартом ||{1гд||И(~<1нм указанные в табл. 1 требования к помехоустойчивости.
Tartthtia 1 Требования к помхоустсйчивосш.
oitfhvh пик-фактор a v потрркрой ^h^ptftt-xvi
Скорсхтн. пит/с. 1700 74П0 ¿8Г)0 r>¿on 8000 9ÍÍ00 14ШГ
Модуляция 2-PSK 4-PSK S-PSK 16-QAM 32-QAM 64-QAM 409$-QAl\f
SNR, дБ АЫШ 5 6 13 16 19 21 36*
poor 10 11 19 7.3 7.7 31 -
Пик-фактор** 3 4 5 6 6 8 13*
Р. Вт АБГП 0.8 1.3 7.9 20 40 130 10 000*
[КЮ1 7.5 40 31 100 ?50 1 поо -
^результаты для модема MDM10K0
м оценочные значения
Приведенные курсивом параметры режима со скоростью 1U20U бнт/с соответствуют модему разработки ОНИИП. т.к. подобный режим в известных зарубежных модемах отсутствует.
При работе с реальной радиопередающей аппаратурой необходимо учитывать пик фактор сигнала, соответ гнойно, н]жк1*дгм и ггп пцгикидпх ккб::иннмх ргжимск В пт!нди|ггг 1]к-(н»ннни« к инк-фик ntjiy нг при кпд* и х по этой причине воспользуемся опенками. приведенными в табл. 1.
Скорость, оит'с
Рис 3. Зависимость потребней мощносгн РИДУ от скорости передачи данных для какала с постоянными параметрами и АБГШ
Для перехода от абстрактных значений SKR и пик-фактора к погребной номинальной мощности РПДУ используем полученные в ходе неоднократных испытаний на трассе Омск Москва оценки I /]
На рнс. 3 в графическом виде приведены полученные выше результаты для канала е постоянными параметрами п АЫ Ш. В контексте трсссы Омск Москва данный случай можно считать соответствующим раооте в крайне узкой области частот вблизи МПЧ. где отсутствует многолучевость.
Как мы видим, при значениях спектральной эффективности модема выше приблизительно 1 бнг/(с -<Гц) за-киг.имемтк Ж1СИ1 НГ.1ИНГЙНЫЙ хатлик1Г|). и нгм Khinir гпешришнния «ффгк i икнопь модема. 1гм /«фола*. :• -iHqiir-тнческон io4iai зреиия. обходится ее дальнейшее повышение.
ТТл рис 4 ттркнгдгньт рпультлты для <ОТЛОХОГО» клнлЯЛ ТС клнлэтл где- чл6лк>длгтся дил ffvirhcfmo глмттрл-
ющнх по релеевскому закону луча с равной средней мощностью, задержка между лучами составляет 2 мс, скорость замираний 1 L п.
Мы видим. что нелинейный характер зависимости в более сложном канале выражен еще сильнее, соответственно. повышение спектральной эффективности ооходигея еще дороже
Для того, чтобы показать анализиру емую закономерность более ярко, рассмотрим требования к энергетике для режимов со скоростью до '.Í/20U бнт/с включительно в полосе 3.1 кГц к в более широких полосах (ем. рис. 5).
Современные радиопередающие устройства мощностью 1 кВт и 5 кВт разработки ОНИИП обеспечивают
;фх:1/)шчн(1 ничкий уронгнь нг. шнгйных иски.*t-ннн ч шОы ¡г^лтиктгъ ртим го скорсхтгмо 19?П'0(»и1/< к iiti-лосе 3100 Гц для канала с псетояннымн параметрами и АБГШ.
D качестзе альтернативы рассмотрим ентуаиню. когда увеличение скорости передачи данных обеспечивается не за счет наращивания кратности манипуляции сигнала в полосе СТК, а за ечег расширения полосы сигнала с 3 кГп до 24 к! ц. В этом случае требуемая мощность, очевидно, будет увеличиваться прямо пропорционально полосе и скорости (т.к., с точки зрения модема, происходит только расширение шумовой полосы, вид модуляции ас меняется и в данном примере соответствует скорости 2400 бнт/с в полосе СЛ.К).
1000
Р50 90IJ /
j
850 800 750 н ТОО — ASI1 г» /
/
/
/
¡—г Г50П g «о л 500 § 450 Ц 40U s 35и /
/
/
зоо 250 200 /
150 1Ü0 50
о!
l'JUÜ ¿4UU ifcUU 4»ÜJ bUJU nm S4UU yWJL
Скорость. 6iit/c
Рис. 4. Зависимость потрсбнок мощности РПДУ от скорости передачи дойных для «плохого» кпнпла 1Э000
22
>
о" —
1000
= 21 кГц—^^ ^ц
2400
48 D0
7200
9600 12000
Скорость, бит/с
14400
16S0C
.9200
Рис Зависимость потребной мощности РПДУ от полосы и скорости передачи данных для канала
с постоянными параметрами и АБГШ
В ЫВ ОДЫ И 3АХЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, повышение спектральной эффективности сигнала возможно только за счет снижения его энергетической эффективности вне зависимости от типа модема.
При работе в полосе стандартного телефонного канала 3100 Гц падение энергетической эффективности наблюдается со скоростей порядка 3200 бит/с. Вероятно, именно это в совокупности с возрастающими требованиями к пропускной способности канала связи обусловило введение рядом зарубежных стран в высокоскоростные KB модемы форм сигнала с полосой до 24 кГц. Учитывая сложившуюся исторически поддержку отечественной аппаратурой сигналов с полосой до 40 кГц (ранее — по входу ПЧ 128 кГц, сейчас - по цифровому е.то-ф'Х нами предлагается легализовать в РФ использование соответствующих форм сигнала.
Реализация скорости передачи данных 19200 бит/с в полюсе 3100 Гц на базе современных технических средств возможна при работе земной волной, но для рассмотренных модемов энергетический проигрыш данного решения составляет порядка 1000 раз по мощности относительно расширения полосы до 24 кГц.
Традиционный для распространенных ЕВ модемов режим с информационной скоростью передачи данных 9600 бит/с в полосе 3100 Гц уступает по энергетической эффективности варианту реализации этой же скорости в утроенной полосе частот в рассмотренных каналах от 14 до 40 раз по мощности.
Источник финансирования: АО «ОНИИП»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ. / под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь. 2000. 520 с.
2. Прокис Длс. Цифровая связь. Пер. с англ.! под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 800 с.
3. Пукса Д. О.. Романов Ю. В. Результаты трассовых испытаний высокоскоростного KB радиомодема разработки ОАО «ОНИИП» И Успехи современной радиоэлектроники. 2012. № 11. С. 19—25.
4. Гиршов В. С. Влияние пик-фактора на эффективность высокоскоростной одноканальном передачи при ограниченных пиковой мощности и полосе пропускания 1; Радиотехника 1991. № 7. С. 46-48
5. Bit Error Rate (BER). Theoretical Results. URL: littp://www.uiatliworks.com/help/сooim;ugAiit-error-rate-ber.html (дата обращения: 01.11.2015).
6. Богданов А. В.. Кузлякнна С. И.. Пукса Д. О.. Романов Ю. В. Об оптимизации требований к передающим комплексам радиолиний высокоскоростной передачи данных диапазона ДКМВ (/ Успехи современной радно-электроники. 2011.JV» 7. С. 10—15.
7. Пукса Д. О.. Романов Ю. В. Результаты трассовых испытаний адаптивной KB радиолинии высокоскоростной передачи данных файлового типа на базе радиомодема с полосой сигнала до 40 кГц'/ Техника радиосвязи. 2015. №4(27).С. 14-20.
