CC BY
14
РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.396.932:629.562
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ СКОРОСТИ ТЕЛЕГРАФИИ МОРСКОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ РАДИОСВЯЗИ РЫБОПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ
Анд. И. Кулинич
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
Показано, что увеличение скорости телеграфии в высокочастотном диапазоне возможно более чем на порядок путем использования многочастотного сигнала.
Ключевые слова: телеграфия, модуляция, сигнал, высокочастотная радиосвязь, поднесущая частота.
Basic directions to increase telegraphy's speed of maritime high-frequency radio communication at fishing vessels. And. I. Kulinich (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
It is shown that the increase of telegraphy's speed in high-frequency band can be doubled while using multi-frequency signal.
Key words: telegraphy, modulation, signal, high-frequency band, subcarrier frequency.
Скорость телеграфии в современных судовых СЧ/ВЧ радиостанциях в режиме узкополосного буквопечатания (УБПЧ) и при передаче сигналов цифрового избирательного вызова (ЦИВ) не превышает 100 бит/с. Для сравнения отметим, что при работе в узких лучах спутниковой системы Инмарсат скорость передачи данных в судовых терминалах Fleet Broad Band равна 432 Кбит/с, то есть выше более чем в 4000 раз.
Такое отличие объясняется разными полосами частот, занимаемых сигналами. В системе Инмарсат при передаче данных применяется 16-кратная амплитудно-фазовая модуляция кодовых посылок, ширина полосы частот около 100 МГц, длительность элементарных посылок кода 0,02 мкс. В режиме УБПЧ используется метод частотной телеграфии, ширина полосы B = 2/ т = 200 Гц, где т = 10 мс - длительность посылок кода.
Современные СЧ/ВЧ радиостанции кроме телеграфии работают в режиме однополосной телефонии с шириной спектра 2,7 кГц. На первый взгляд может показаться, что путем уменьшения длительности телеграфных посылок с 10 до 0,75 мс возможно увеличить скорость СЧ/ВЧ телеграфии со 100 до 2700 бит/с и при этом полосы занимаемых частот при телефонии и телеграфии будут одинаковыми. Однако практика работы в ВЧ диапазоне показала, что путь увеличения скорости с помощью уменьшения длительности посылок является тупиковым из-за дисперсионных искажений формы посылок в ионосфере [1].
Среда ионосферы обладает дисперсионными свойствами. Скорость распространения пространственных радиоволн и затухание сигналов в ионосфере зависят от несущей частоты сигнала. Такая зависимость получила в физике название «дисперсия». Из -за явления дисперсии распространение различных по частоте компонент сигнала происходит с разной скоростью, из -за чего телеграфные посылки «наслаиваются» друг на друга. Так как затухание сигнала возрастает с частотой, то ослабление высокочастотных составляющих сигнала происходит гораздо интенсивнее, чем низкочастотных составляющих. Поэтому передние и задние фронты посылок «заваливаются».
На рис. 1 приведен типичный пример искажения формы прямоугольной телеграфной посылки длительностью т (отмечена пунктиром) из-за дисперсии в ионосфере. Искажение оценивается временем переходного процесса t0.
Е1
1,0 1
х/Г0 = 1
-5 -4 -3 -2 -2 0 1 2 3 4 5 Г/Г0
Уменьшение длительности кодовых посылок при передаче до величины X < ТКР из-за дисперсии приводит к такому же увеличению длительности этих посылок при приеме. Величина ТКР зависит от состояния и длины трассы распространения радиоволн. Для ВЧ диапазона ткр ~ 4,4 мс. При этом максимально достижимая скорость телеграфии равна 225 бит/с.
Рис. 1. Искажения формы прямоугольной телеграфной посъглки из-за дисперсии в ионосфере
Увеличение скорости телеграфии в ВЧ диапазоне возможно разными методами при параллельной передаче информации с использованием многочастотных сигналов. В частности для параллельной передачи информация должна быть предварительно пакетирована.
На выходе балансного модулятора ВЧ радиостанции на одной или на обеих боковых полосах формируется многочастотный сигнал в виде сетки поднесущих частот. На рис. 2 приведена структурная схема формирователя сетки поднесущих частот на верхней боковой частоте.
несущая частота сигнала /с _
Балансный модулятор - Фильтр верхней боковой полосы
Синтезатор сетки частот / 1
сетка поднесущих частот
Г с + /1
/с + /1+ А / г с + /1+ 2 А/
/с + /1 + п А /
/1+ А / /1+ 2 А /
/1 + п А /
Р, 10
10 10 10
Рис. 2. Структурная схема формирователя сетки поднесущих частот на верхней боковой частоте
На входы балансного модулятора (БМ) поступает несущая частота сигнала /с, и с выхода синтезатора сетки частот (ССЧ) - частоты: / ; / + А/ ; / + 2А/; ..., / + пА/ . Фильтр верхней боковой полосы (ВБП) выделяет сетку поднесущих частот /с + / ; /с + / + А/; /с + / + 2А/; ... /с + / + пА/. Разнос между частотами А/ определяется шириной спектра телеграфных сигналов. Сетка поднесущих частот может формироваться на обеих боковых полосах на выходе балансного модулятора.
На каждой поднесущей частоте, благодаря пакетированию сигнала на равные части, параллельно передаются кодовые последовательности. Для передачи 1 и 0 кода используется не разнос
по частоте на 170 Гц, как это делается в современных ВЧ радиостанциях, а применяется бинарная фазовая манипуляция (ФМ) со значениями фазы несущих частот 0; ж. Бинарная фазовая модуляция обеспечивает большую помехозащищенность по сравнению с частотной модуляцией (ЧМ).
На рис. 3 приведен график вероятности неправильно принятой двоичной посылки Рош от величины отношения сигнал-шум Н0 (дБ) (по мощности) на входе приемника при частотной (ЧМ), фазовой (ФМ) и амплитудной (АМ) модуляции.
При отношении сигнал-шум (по напряжению) равном 3 на входе приемника вероятности ошибок при фазовой и частотной модуляции соответственно равны 10-5 и 10-3 .
При фазовой модуляции для исключения инверсии принимаемых кодовых последовательностей применяется метод относительной фазовой модуляции.
Скорость передачи в каждом параллельном канале не должна превышать 225 бит/с. При такой скорости длительность телеграфных посылок кода равна критической хкр = 4,4 мс
6
8
10
12 Но, ДБ
Рис. 3. График вероятности неправильно принятой двоичной ссылки Рош от величины отношет сигнал-шум Н0
и является минимально допустимой при наличии дисперсии. Для достижения скорости 3600 бит/с необходимо использовать 16 параллельных каналов [2].
Число каналов может быть уменьшено в два раза при применении четырехпозиционной фазовой модуляции кодовых посылок и в четыре раза - при применении 16-кратной квадратурной амплитудно-фазовой модуляции (16 КАФМ). Каждая посылка при четырехпозиционной фазовой модуляции передает два бита, а при 16 КАФМ - четыре бита.
Структурная схема модулятора четырехпозиционной фазовой модуляции и диаграмма его работы известны и представлены на рис. 4.
1 Т
1 6 7 8
ИКМ 4 1 1 1
-1 2 1 3 5 г
1 к 1 7
I 1
-1 3 5 г
1 к 4 6 8
II 1 1 1
-1 2 г
б
(- +)
180° (-1)
кв. 90° (+1) (+ +) ДОФМ
270° (-1)
0° СИНФ
(+)
(+ -)
а
в
Рис. 4. Структурная схема модулятора четырехпозиционной фазовой модуляции
и диаграмма его работы
Кодированный сигнал с относительной фазовой модуляцией поступает на преобразователь кода с выхода импульсно-кодового модулятора. Преобразователь кода преобразует входной сигнал в два параллельных сигнала I и II, каждый из которых модулирует по фазе синфазную и квадратурную составляющие. В результате сложения получается сигнал с четырехпозиционной фазовой модуляцией.
Телеграфная работа в ВЧ диапазоне производится в сложных условиях замирания сигналов и при мешающем действии взаимных и импульсных помех.
Система ШОУ, в состав которой входит двусторонний ограничитель на входе приемника, улучшает вероятность правильного приема кодовых последовательностей. Однако при наличии системы ШОУ, основанной на ограничении амплитуды сигналов, прогрессивный метод модуляции 16 КАФМ применяться не может.
Для увеличения скорости кодовые последовательности передаются независимо в параллельных каналах, формируемых многочастотным сигналом. Скорость передачи возрастает пропорционально числу каналов. Каждый канал при ФМ-модуляции использует лишь одну поднесущую частоту [3].
Многочастотный сигнал может применяться также для передачи текущей информации без предварительного пакетирования.
Телеграфные посылки в этом случае модулируются методом ЧМ, все N бит кодовой последовательности передаются одновременно на 2N поднесущих частотах в N частотных каналах. Каждый канал передачи состоит из двух поднесущих частот: верхней и нижней. На верхней поднесущей частоте передаваемый сигнал формирует 1, на нижней - 0. Скорость телеграфии возрастает в N раз, где 2N - число поднесущих частот.
По сравнению с методом ФМ-модуляции при ЧМ помехоустойчивость будет ниже (см. рис. 3), и для получения такой же скорости требуется в два раза больше поднесущих частот.
Для обнаружения ошибочно принятых кодовых последовательностей в современных судовых ВЧ радиостанциях применяются специальные меры и специальные коды. В режиме работы ARQ (Automatic Repeat Request - автоматический запрос повторения) в каждой 7-битовой последовательности отношение 1 и 0 должно быть равно %. Если это условие не выполнено, то кодовая последовательность запрашивается заново.
В режиме работы FEC (Forward Error Correction - прямое исправление ошибок), используемом для циркулярных передач, каждая 7-битовая последовательность передается дважды с временным разносом. Если соотношение % выдерживается хотя бы для одной последовательности из принятых двух, то эта последовательность считается правильной.
В режиме работы ЦИВ каждый символ, состоящий из 10 бит, передается дважды с временным разносом на 400 мс. Кроме этого проверяется на правильность каждый отдельный символ и кодовая последовательность в целом.
Из вышеизложенного следует, что в современной телеграфии возможно обнаружить ошибочно принятый код, но исправление неправильно принятых бит в коде не производится.
В перспективной ВЧ телеграфии, построенной на основе 8-битового кода ASCII (Американский стандартный код для информационного обмена), код должен содержать не только информационные, но и проверочные биты сверочного кода. Поэтому в каждом параллельном канале, созданном на основе многочастотного сигнала, возможно будет определять не только ошибочно-принятые кодовые последовательности, но и производить исправление неправильно принятых бит.
В нашей стране и за рубежом ведутся непрерывные работы по увеличению скорости передачи данных в ВЧ диапазоне с помощью современных технологий, например использованием вокодеров, многочастотных сигналов и современных методов модуляции.
Подводя итог, следует отметить, что скорость телеграфии в современных ВЧ радиостанциях достигает 9600 бит/с в полосе 3 кГц за счет применения вокодеров, многочастотных сигналов и современных методов модуляции.
Литература
1. Системы радиосвязи: Учеб. для вузов / Н.И. Калашников, Э.И. Круницкий, И.Л. Дород-нов, В.И. Носов. - М.: Радио и связь, 1988. - 352 с.
2. Резников В.Ю., Устинов Ю.М., Дуров А.А. Судовая радиосвязь. Справочник по организации и радиооборудованию ГМССБ. - СПб.: Судостроение, 2002. - 480 с.
3. Цифровые терминалы спутниковых систем связи. Справочное издание / А.А. Ильин, А Н. Маринич, А.В. Припотнюк, Ю.М. Устинов. - СПб.: Деан, 2005. - 192 с.
УДК 519.6:550.385.4"2010.04.5"
ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗ МАГНИТНЫХ ДАННЫХ В ПЕРИОД МАГНИТНОЙ БУРИ
5 АПРЕЛЯ 2010 ГОДА
О.В. Мандрикова 1 2, И.С. Соловьев 1 2, Д.Г. Баишев 3
'Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка (Камчатский край), 684034; 2Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003; 3Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера,
г. Якутск, 677980
e-mail: oksanam'@mail.kamchatka.ru, [email protected], [email protected]
На основе разработанных авторами алгоритмов выполнен анализ магнитной бури 5 апреля 2010 г. В анализе использовались геомагнитные данные обсерваторий «Паратунка», «Якутск» и данные межпланетного магнитного поля Земли. В результате исследований изучена динамика развития магнитной бури
