CC BY
94
УДК 621.395
В.И.Литюк
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ КОДОВЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ В АСИНХРОННОЙ СВЯЗИ
Как показано в [1, 2], многоканальные автономные системы передачи информации находят широкое применение в тех случаях, когда невозможно обеспечить централизованное объединение абонентов в силу тех или иных причин к которым могут быть отнесены их размещение на больших территориях при их случайном месторасположении, движение абонентов во время сеанса связи, требование высокой живучести всей системы радиосвязи.
В этих случаях наиболее эффективными системами радиосвязи являются системы асинхронной адресной связи (ААС), отличительной особенностью которых является то, что всеми асинхронными станциями (АС) используется одна полоса частот, применяемые сигналы принадлежат одному ансамблю и их селекция происходит по их форме, т.е. производится кодовое разделение абонентов. В настоящее время в системах ААС для модуляции каждого бита информации используются сложные сигналы, которые одновременно являются как переносчиками информации, так и адресами абонентов, и относятся к сложным сигналам первого порядка (ССПП). По определению, к ССПП относят сигналы у которых в каждый момент времени на частотно-временной плоскости находится один частотный элемент [2].
Использование ССПП из одного ансамбля в одной полосе частот всеми АС приводит к появлению специфического вида помех, называемых «шумами неортогональности» и связано с тем, что их взаимокорреляционные функции (ВКФ) ортогональны друг другу только в точке ортогональности на оси времени и не равны нулю во все другие моменты времени. Интенсивность помех вида «шумов неортогональности» определятся уровнем и количеством боковых лепестков (БЛ) ВКФ используемых ансамблей ССПП [1, 2].
Влияние этих помех в системах ААС является основным, т.к. их уровень многократно превышает уровень других видов помех, в частности, помех вида «белого» шума. Существенное влияние на уровень «шумов неортогональности», помимо влияния вида используемых ансамблей ССПП, оказывает тот или иной метод их обработки в системах ААС.
В настоящее время в системах ААС нашли применение два метода обработки ССПП - метод согласованной фильтрации (МСФ) и метод статистического разделения (МСР) [3, 4]. Однако оба они не позволяют в должной степени обеспечить подавление «шумов неортогональности».
Для борьбы с БЛ ансамблей сложных сигналов в работах [5, 6] было предложено использовать ансамбли сложных сигналов второго порядка (ССВП), которые модулируют соответствующий информационный бит АС и формируются на основе комплементарных кодовых последовательностей
(ККП). ССВП имеют в каждый момент времени на частотно-временной плоскости два частотных элемента, причем местоположение каждого из них на оси частот зависит друг от друга, и от других частотных элементов ансамбля.
Особенностью полученных ансамблей ССВП является то, что эти сигналы отвечают принципу «да и нет в одном сигнале». Свойству «да» соответствует результирующий отклик согласованного фильтра (СФ) на предназначенный для него ССВП, описываемый автокорреляционной функцией (АКФ) в виде «5-функции». Свойству «нет» соответствует отклик равный нулю на выходе СФ не предназначенного для любого ССВП из их ансамбля, т.е. ВКФ «ортогональны в точке и на временном интервале при произвольном сдвиге» [5, 6].
Синтез ССВП с указанными свойствами осуществляется за ряд шагов.
На первом шаге формируется макет первообразной матрицы, количество независимых элементов которой в два раза меньше числа независимых каналов связи системы ААС.
На втором шаге производится, в соответствии с разработанным в [6] алгоритмом и определяемым той или иной формой записи модифицированной матрицы Адамара, расширение числа независимых элементов до величины, равной количеству независимых каналов связи, путем присвоения знаков (+) и (-) соответствующим элементам макета первообразной матрицы, размер которой определяется числом независимых элементов.
На третьем шаге формируется ансамбль ККП, длительности кодовых последовательностей которого должны превышать число абонентов системы ААС в два раза. Формирование ансамбля ККП осуществляется итеративным путем за счет многократного использования модифицированной матрицы Адамара, согласно которой на втором шаге формировалась первообразная матрица. В результате формируется матрица, размер которой в два раза превышает число, определяющее количество абонентов, т.е. равное 0,5Ы, причем число N = 2т, где т - число итераций. При этом соответствующие друг другу комплементарные кодовые последовательности в сформированной матрице размера находятся на і-й и 0,5Ы+/-й строках, где 1<<0,5Ы.
На четвертом шаге вычисляются АКФ и ВКФ ансамблей ККП с учетом правила перемножения независимых элементов друг на друга, которое утверждает, что результат, равный ±1, будет тогда и только тогда, когда эти перемножаемые независимые элементы имеют одинаковые значения и их знаки совпадают (знак +) или противоположны (знак -). При несовпадении значений независимых элементов, независимо от их знаков, результат перемножения равен нулю.
Полученные результаты АКФ и ВКФ служат для определения количества нескомпенсированных БЛ, которые появляются при количестве работающих абонентов превышающем количество каналов связи.
На этом формирование и проверка эффективности полученного ансамбля ККП заканчивается. Полученные ККП используются как модулирующие функции для получения ансамблей ССВП.
В свою очередь, в силу ряда ограничений технического характера, не всегда удается обеспечить требуемое число независимых каналов связи. Эти ограничения связаны с тем обстоятельством, что при одновременном выполнении требований к качеству связи при заданном количестве одновременно работающих абонентов (в пределе - всех) и высоких скоростях передачи информации, затруднена реализация большого количества относительно широкополосных и идентичных высокоизбирательных частотноселективных узлов в случае использования радиоканалов. При этом предполагается, что полосы пропускания всех каналов одинаковы.
В случае организации заданного числа каналов связи на основе волоконнооптических линий связи (ВОЛС), просто решается проблема обеспечения независимости каналов связи при одновременном обеспечении практически неограниченной полосы частот в каждом из них. Однако при этом трудно обеспечить идентичность их характеристик в том случае, когда число таких каналов велико.
Еще одним фактором, который влияет на качество связи систем ААС с большим числом одновременно работающих абонентов, является зависимость помехоустойчивости от вида используемой обработки ССВП. В настоящее время в системах ААС существуют методы обработки сложных сигналов в виде МСФ и МСР. МСФ используется в системах ААС с дискретно-частотными сигналами, модулирующими информационный бит [5, 6]. МСР используется в системах ААС с кодово-импульсной модуляцией (КИМ), модулирующей информационный бит, но в данном методе импульсы расположены в одной полосе частот на частотно-временной плоскости [1].
Указанные методы имеют свои достоинства и недостатки, которые подробно рассмотрены в [1]. Применение МСФ или МСР зависит от диапазона, в котором располагается несущая частота всех АС системы ААС.
В частности, при использовании радиоканалов существенное ограничение на скорость передачи сообщений оказывает многолучевость распространения радиоволн. Это приводит к необходимости ограничить укорочение длительности информационного бита из-за эффекта замираний радиоволн на тех или иных частотах. Наряду с многолучевостью ограничения на ширину полосы занимаемых частот накладывает дисперсность среды распространения радиоволн.
При наличии указанных эффектов целесообразно использовать МСФ, который применяется в случае, когда ССВП представляется в виде дискретной частотно-временной структуры. При этом осуществляется линейная обработка сигналов и влияние эффектов, связанных с многолучевостью распространения радиоволн, может быть минимизировано.
Когда указанные эффекты отсутствуют или их влияние пренебрежимо мало, более экономной по затратам оборудования является обработка ССВП на основе МСР и чаще находит применение при использовании КИМ. Сущность МСР заключается в том, что принимается решение о наличии сигнала в виде
информационного бита от той или иной АС в случае, когда в соответствующие моменты времени происходит совпадение всех импульсов, описывающих бит АС, на входах схемы И. В этом случае на выходе схемы И появляется соответствующий информационный бит.
МСР при использовании ССВП дает высокие результаты по помехоустойчивости, поскольку каждый сигнал из ансамбля имеет значительное число импульсов в кодирующей последовательности. Однако это приводит к резкому возрастанию импульсного потока в каналах связи, что снижает эффективность в целом всей системы ААС, возрастанию требований к точности задержки сигналов друг относительно друга в независимых каналах связи и к стабильностям характеристик узлов декодирования импульсных потоков. В силу указанных причин необходимо ограничивать количество импульсов в кодовых комбинациях, что, с другой стороны, приводит к повышению вероятности появления сбойных ситуаций при декодировании информационных потоков.
Компромиссом между рассмотренными подходами в области обработки ССВП может стать предлагаемый метод, который определим как метод статистическо-фильтровой обработки (МСФО) и который наиболее эффективен при ограниченном числе независимых каналов связи, каждый их которых имеет «неограниченную» полосу занимаемых частот.
Сущность МСФО заключается в том, что каждому независимому элементу синтезированной ККП присваивается только ему присущая кодирующая последовательность в виде последовательности импульсов, полученных с применением КИМ. Каждая из этих относительно коротких
последовательностей импульсов обрабатывается при помощи МСР, а полученные результаты, в виде ККП, обрабатываются при помощи МСФ.
Очевидно, что в этом случае требования к точности формирования по МСР кодирующих последовательностей резко снижаются, а обработка результатов при помощи МСФ позволяет избежать пропусков информационных бит в случаях сбоев при декодировании какого-либо независимого элемента.
Таким образом, на основании проведенного анализа можно предложить следующую процедуру определения наиболее эффективной передачи информации в системе ААС с учетом заданного количества АС и видов используемых каналов связи.
Шаг 1. Синтезируются ККП, длительности которых определяются количеством абонентов. При этом синтез осуществляется с учетом заданного количества и видов независимых каналов связи, что определяет количество независимых элементов в ККП.
Шаг 2. По полученным ККП рассчитываются суммарные АКФ и суммарные ВКФ. По суммарным ВКФ определяется процент оставшихся БЛ относительно их возможного числа, определяемого общим количеством точек, описывающих ансамбли этих суммарных ВКФ. Это показатель характеризует уровень «шумов неортогональности» системы ААС.
Шаг 3. В случае удовлетворения требованиям по уровню этих помех, производится расчет необходимой полосы пропускания приемо-передающих трактов АС и производится определение диапазона частот, в котором будет осуществляться связь, на основании чего определяются требования к частотной селективности по каждому из каналов.
Шаг 4. По полученному диапазону частот определяются условия распространения радиоволн. На основании проведенного анализа определяется предельно допустимая скорость передачи сообщений и сравнивается с заданной. По результатам сравнения производится выбор алгоритма обработки - МСФ, МСР или МСФО.
Шаг 5. В том случае, когда все требования по эффективности АС выполнены, следует выбирать обработку ССВП с использованием МСФ.
Если количество каналов связи ограничено, но нет ограничений на полосу каждого из них и отсутствуют замирания, связанные с многолучевостью распространения радиоволн, и скорость передачи информации не является определяющим фактором, то экономически целесообразным оказывается МСР.
Если имеют место ограничения по количеству каналов связи, имеют место замирания в каждом из них независимо от других, но нет ограничений на полосу занимаемых частот, а скорость передачи информации является существенным фактором, то в этом случае целесообразно использовать МСФО.
Таким образом, проведенный анализ состояния проблемы связи с использованием ансамблей ССВП показал, что в зависимости от конкретных условий функционирования систем ААС применяются соответствующие алгоритмы обработки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Венедиктов М.Д., Марков В.В., Эйдус Г.С. Асинхронные адресные системы связи. М.: Сов. радио, 1968. 271 с.
2. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. М.: Сов. радио, 1978. 304 с.
3. Теория передачи сигналов. / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский, М.В.Назаров,
Л.М.Финк. М.: Радио и связь, 1986. 304 с.
4. Радиотехнические системы передачи информации: Учебное пособие для
вузов. / В.А.Борисов, В.В.Калмыков, Я.М.Ковальчук и др.; Под ред.
В.В.Калмыкова. М.: Радио и связь, 1990. 304 с.
5. Литюк В.И. Особенности применения ансамблей дополнительных кодовых последовательностей в адресных системах связи. / Телекоммуникации, 2000, №4. С.31-35.
6. Lityuk V.I. Ensembles Synthesis of the Complementary Code Sequences for the Asynchronous Address Communication Systems. // World Wireless Congress. San Francisco (silicon Valley). U.S.A., Delson Group, Inc., May 28-31, 2002. P.732-737.
