ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА СВЯЗИ НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИЕМА СИГНАЛА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Polubahin Alexander Ivanovich, candidate of technical sciences, professor, I)-john postamail. ru, Russia, Moscow, Moscow state technical University,

Rumyantsev Vladimir Lvovich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of department, cdbaeacdbae. ru, Russia, Tula, JSC CPBAE

УДК 621.396

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛА СВЯЗИ НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИЕМА СИГНАЛА

Ю.И. Мамон, С.А. Курбатский, Д.Б. Карандин, В.Л. Румянцев

Проведено описание флуктуации коэффициента передачи ионосферного канала. Определены соотношения для вероятности ошибки в системе приема фазоманипу-лированного сигнала. Для сравнительной оценки помехоустойчивости различных систем связи часто рассмотрена двухлучевая модель канала связи. Приведены зависимости вероятности ошибки приема символа от отношения сигнал/шум.

Ключевые слова: канал связи, флуктуации сигнала, вероятность ошибки символа, помехи приема.

Для любого коротковолнового канала, имеющего в своем составе ионосферную линию связи, характерно большое количество самых разнообразных возмущений. Поскольку эти возмущения непосредственно связаны с процессом прохождения сигнала, то они появляются лишь при наличии сигнала в системе связи и носят названия мультипликативных помех. Кроме мультипликативных, в канале связи всегда присутствуют аддитивные помехи, порожденные собственными шумами канала это флуктуационные шумы атмосферы, станционные помехи и пр. Параметры аддитивной помехи входят во все выражения, описывающие помехоустойчивость средств связи будь то вероятность ошибки или какой-либо другой критерий.

Описанию замираний сигнала в канале связи посвящено значительное количество работ [1-4]. Однако, при оценке реальной помехоустойчивости систем связи необходимо иметь возможно более полные сведения как о параметрах линии связи, так и технических характеристиках приёмного и передающего устройства, источника и получателя сообщений. Поэтому определенный интерес представляет оценка влияния закона флуктуаций коэффициента передачи канала, метода обработки принимаемого сигнала на помехоустойчивость различных систем связи.

Флуктуации огибающей сигнала, если не принимать специальных мер, оказывают ощутимое влияние на его помехоустойчивость. Поэтому выяснению закона, которым могло аппроксимировать плотность вероятности этих флуктуации, уделяется самое пристальное внимание. В [5] предложена аналитическая модель замираний разного типа, полученная при следующих основных предпосылках:

1. Приходящие к приемному устройству лучи отражаются (или рассеиваются) в некотором объеме ионосферы таким образом, что разность хода соизмерима с длиной волны.

2. Число приходящих элементарных лучей, образовавшихся вследствие рассеяния на неоднородностях ионосферы настолько велико, что позволяет применить центральную предельную теорему.

3. Сигналы являются относительно узкополосными, вследствие чего времена распространения (t р,) и коэффициенты передачи одинаковы для всех составляющих, то есть не зависят от номера луча [1, 2]. В результате передаваемый сигнал может быть представлен в виде:

кг

%0) = IСк ^(к^ + фк).

к=к\

В результате для случая, когда разности времени распространения (А/?) достигают значений, существенно превышающих период средней частоты сигнала 2р/Юср, получено, что в этих условиях коэффициент передачи канала (т) имеет распределение Релея. Если А/ << 2р/Юср, то тогда коэффициент подчиняется обобщенному распределению Релея.

Влияние флюктуации коэффициента передачи канала на помехоустойчивость можно описать следующим образом. Так если для обеспечения вероятности ошибки 10-3 при передаче информации по каналу с постоянными параметрами требуется

2

отношение сигнал/шум Из =10 дБ, то при релеевском канале эта величина должна быть увеличена на 20 дБ. Влияние закона распределения флуктуации огибающей сигнала сравнительно меньше, однако уже при К2 = 5 проигрыш релеевского канала по сравнению с обобщенным релеевским - составляет около 10 дБ. Таким образом, видно, что результат теоретической оценки помехоустойчивости приемного устройства зависит от того, как будут интерпретированы результаты экспериментов по определению плотности вероятности огибающей сигнала на входе приемника.

Флуктуации коэффициента передачи ионосферного канала по данным работ [6, 7] хорошо согласуется с распределениями Релея или Райса не более чем в 60...70 % случаев. В 20 % случаев отмечены флуктуации более глубокие нежели релеевские. Для линии связи, проходящей в основном через зону авроральных возмущений характерен, например, двугорбый вид закона распределения флуктуации [3], причем сигналы, пришедшие в точку приема под низкими углами к горизонту имеют более глубокие замирания, чем сигналы, пришедшие под более высокими углами. Все эти варианты обобщаются четырехпараметрическими распределениями амплитуд. Однако ввиду сложности выражения четырехпараметрического распределения его трудно использовать при анализе систем связи.

В работе [4] на основании обработки экспериментальных данных предлагается аппроксимировать распределение коэффициента передачи т канала законом «преобразованный с2», а в [5, 6] распределением, включающим в себя «преобразованный с2» как частный случай при целых т [7]:

ж (т):

2т V

т. 2т-1

(

Г(т)т2т

-• ехр

тт

т2

2 Л

т> 0,

(1)

где т = Iт I /

.2

т2 -т2 ]

> 1 2

При т = 1 выражение представляет собой закон распределения Релея, при т > 1 с большой точностью закон Райса. При (0,5 < т < 2) выражение (1) описывает замирания более глубокие, чем релеевские. Таким образом при соответствующем подборе параметра т - закон распределения коэффициентов передачи большинства реальных каналов, может быть представлен единым выражением в виде (1), что представляет известные удобства, например, при моделировании системы связи.

В [3, 5] приводится выражение для средней вероятности ошибки приёма сигналов по методу сравнения фаз:

Р

ср

¥ 1

12еХР 0 2

(

2; 2 Л т Ир

2т о

ж (т)Ф:

^ л

2т • т0

т+т0 +1 2

ехр

( \ т • т0

И

•ж

0 у

173

1-т-т0 т-т0

2 , 2

^ Л

2т • т0

И

И

2

где Но - средний квадрат отношения сигнал/шум; ^¿(г) - функция Уиттекера.

Соотношение (2) может быть преобразовано к виду:

Рр = 1

2

ср

2 •

\т

ехр

(о ^ ( 2 • т0

—0 -У

1- то,

2т

(3)

где у(а, с) - неполная гамма функция.

Из (3) следует, что средняя вероятность ошибки существенно возрастает при изменении параметра то, то есть при увеличении глубины медленных замираний. При т0 > 4 средняя вероятность ошибки в канале с медленными и быстрыми замираниями практически не отличается от ее значения в канале только с быстрыми замираниями то = ¥.

В [3] при выводе выражения для вероятности ошибки в системе приема фазо-манипулированного сигнала (ОФТ) при квазирелеевских замираниях и приеме по методу сравнения фаз, для коэффициента корреляции использовано приближенное выражение:

Я(х) = ехр

( х2 ^

2(3°

где Ь2 - при ионосферной связи на длинных трассах принимает значение 0,1 сек, на коротких трассах 2 сек.

Вероятность ошибки при этом равна:

1 1 + К2 + ¿2(1 - Я)

ош

2

1 + К2 + Но

ехр

К2 • Но2 1 + К 2 + Н2

Здесь К2 = мр/мф, мф = Мо - М-р - среднее значение квадрата флюктуирующей части

2

коэффициента передачи, а Мр - его регулярная составляющая. Эта зависимость при различных значениях Я и К приведена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость вероятности ошибки приема символа при различных значениях Я и К

При К = 0 получаем

офт-

=1 • 1+Но2(1-Я) 2 1+н2 ' 174

Особенностью относительных методов манипуляции при Я < 1 является то, что вероятность ошибки не равна нулю, даже при сколь угодно большой мощности сигнала. Это объясняется тем, что в системах ОФТ ошибка является результатом флуктуации разности фаз между двумя соседними посылками, происходящей как в результате сложения сигнала с шумом, так и в результате изменения начальной фазы

2

самого приходящего сигнала. Даже при отсутствии влияния помехи Из вторая причина

может вызвать ошибку, если Я Ф 1.

На практике при моделировании процессов функционирования систем связи для сравнительной оценки помехоустойчивости различных систем связи часто используется двухлучевая модель [5-7].

При таком подходе считается [4-6], что время запаздывания второго луча Атзап кратно длительности элементарной посылки сигнала То, в связи с чем при переходе с одного луча на другой фаза стробирующих импульсов остается прежней, что эквивалентно наличию в системе идеальной тактовой синхронизации. При релеевском характере замираний обоих лучей получена нижняя граница помехоустойчивости для случая некогерентного приема ОФТ:

1

Р =

1 ош

4(Р1 +Р2 +1)

1 +

V

4Р1Р2 +Р1 +Р2

Р1 +Р2

где Р1

а01/

а п

Р2

22

= ао2/ ап - отношение мощностей рассеянных составляющих сиг-

налов первого и второго луча к мощности помех.

2

Если ввести обозначение Р1 / Р2 = т и Р1 = Ио, то выражение примет вид:

Р =

1 ош

1

4(И2 + И^т +1)

1+ Л 1 +

2

4Ио т т +1

Из рис. 2 видно, что если не применяется никаких мер для борьбы с мешающим лучом (т = 0,5...1), то проигрыш в помехоустойчивости по сравнению с однолучевым распространением уже на уровне Рош = 10-3 составляет 30 дБ. Влияние второго луча даже при т = о,о5 говорит о том, что для борьбы с явлением межсимвольной интерференции на приемной стороне требуются антенны с очень высокими КНД, что значительно повышает стоимость системы связи.

Рош

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки приема символа от отношения сигнал/шум двухлучевой модели

Замирания в однолучевом канале таковы, что соотношения между амплитудами и фазами составляющих сигнала не изменяется, а скорость замираний оказывается меньше, чем в многолучевом канале [1, 3, 4]. Широкополосные системы связи позволяют существенно повысить помехоустойчивость за счет сложения энергий всех или наиболее интенсивных выделенных лучей.

Следует отметить, что такой метод обработки принимаемого сигнала также как и прием на разнесенные антенны не влечет за собой потери ни мощности сигнала, ни реальной пропускной способности системы. При разнесении по времени длительность элемента уменьшается в 0 раз. Поэтому среднее отношение энергии сигнала к

спектральной плотности помехи Н° = Но / 0 . Здесь Н° - среднее отношение энергии сигнала к спектральной плотности помехи, которое имело бы место, если бы тоже передающее устройство использовалось в канале без разнесения.

Во многих случаях можно отказаться от строгой линейности режима передатчика, либо иметь некоторый запас пиковой мощности, позволяющий на короткие отрезки времени допускать перемодуляцию передатчика. Например, при

з 2 2

достаточно большом 0 > 8.. .9, для вероятности ограничения 3 10 Н' = Но / 4,50 [6].

2 2 1

Для наибольшей общности обычно полагают, что Н° = Н2/ 0Л , где показатель 1

может принимать различные значения от о до 2.

В связи с этим при полностью коррелированных замираниях (Я = 1) в ветвях частотного разнесения, никакого выигрыша в помехоустойчивости по сравнению с одиночным приемом получено не будет даже при использовании оптимального когерентного сложения с весовым коэффициентом [3]. При этом вероятность ошибки будет иметь вид

-( Л"

Р = 1

1 -

Н

е

Н02 +1

1 + е11_ (2к -1)!

к=1 к\(Н°2 + 2^

При допустимой вероятности ошибки 1о-3 сдвоенный прием при когерентном сложении и некоррелированных коэффициентах передачи обеспечивает энергетический выигрыш до 2о дБ. В случае полной корреляции между коэффициентами передачи в ветвях сдвоенного приёма энергетический выигрыш до 3 дБ получается лишь при Не = Но (1 = о - приём на сдвоенные антенны).

В связи с этим следует отметить, что при наличии корреляции замираний сигналов увеличение числа ветвей разнесения с пропорциональным перераспределением излучаемой мощности в определенных условиях может привести даже к ухудшению помехоустойчивости приема [4, 5]. Так при релеевских замираниях сигнала вероятность ошибки с учетом корреляции сигналов в ветвях разнесения описывается соотношением [2, 5]:

1 (4)

Р

ош

2П1 + аоЛ2)

/=1

22

где Нд = Но / 0 ; ао - нормированные собственные значения корреляционной матрицы в ветвях.

2

По выражению (4) была рассчитана зависимость Но от числа ветвей разнесения

0 для корреляционной матрицы при фиксированных значениях коэффициента корреляции между гауссовыми составляющими Я1и. Вычисления проводились при гауссовой аппроксимации зависимости элементов корреляционной матрицы:

(

Яг, у = ехр

(. -1 )2Г2 Л (п -1)2 Го2

где го - выбирается из условия Я(го) = 1/е.

Полученные результаты для вероятности ошибки Рош = Ю-5 представлены на

рис. 3.

h¿o, дБ 27

13 I I I I

10 3 б 9 12 п

Рис. 3. Зависимость вероятности ошибки от числа ветвей разнесения

Из рис. 3 видно, что для заданной достоверности приема при конкретной гауссовой корреляционной матрице требуется некоторое оптимальное значение числа

2

ветвей разнесения ©опт, обеспечивающее минимальное значение Hq .

На рис. 4 приведены результаты расчета оптимального числа ветвей разнесения n в зависимости от Rin, необходимых для обеспечения вероятностей ошибок Рош = 10~3, 10-4, 10-5.

2

Следует отметить, что повышение Hq при © > ©опт не столь велико, чтобы

иметь определяющее значение при выборе числа ветвей разнесения. Также существенные является уменьшение эффективности разнесённого приема при увеличении © по мере стремления © ^ ©опт.

2 4 6 8 hc

Рис. 4. Зависимость коэффициента корреляции от количества ветвей разнесения при различной вероятности ошибки приема символа

В зависимости от относительной стоимости каждой ветви разнесения и энергетического потенциала радиолинии следует ограничиваться рациональным числом ветвей 0р > ©опт, при котором дальнейшее увеличение 0 не окупается.

Подводя итог вышеизложенному можно сделать вывод о том, что параметры канала связи оказывают существенное воздействие на помехоустойчивость всей системы.

При этом вероятность ошибки изменяется в зависимости от закона флуктуации огибающей сигнала на входе приёмника сигнала в подканалах (при разнесенном приёме), времени запаздывания лучей и прочее. Кроме указанных факторов, влияние на помехоустойчивость конечно оказывают: вид модуляции сигнала, способ

детектирования и комбинирования его, вид и уровень помехи в канале и многие другие факторы, не связанные (кроме уровня станционных помех) с процессом распространения радиоволн.

Отождествление КВ каналов передачи информации и, соответственно, оптимальный (по критерию помехоустойчивости) выбор рабочей частоты достаточно уверенно может быть осуществлен на основе зондирования ионосферы.

Список литературы

1. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. М.: Радио и связь, 1990. 341 с.

2. Головин О.В. Имитационное моделирование системы ДКМ радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом. Электросвязь. 1989. № 7. С. 48-51.

3. Phil Wilkinson. Looped Demonstrations on Global Dynamics of the Ionosphere and Optimum Regimes for Ionospheric Communications. Radoscientist. The magazin of URSI. Vol. 4. № 4. December, 1993. 110 p.

4. Райзер М. Оценка характеристик систем передачи данных. ТИИЭР. Т. 70. № 2. 1982. 28 с.

5. Данилкин И.П., Денисенко П.Ф., Соцкий В.В. Исследования по геомагнетизму, аэронавтике и физике Солнца. Иркутск: Наука, 1975. Вып. 33. 102 с.

6. Тузов Г.И., Сивов В.А., Прытков В.И. и др. Помехозащищённость радиосистем со сложными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 297 с.

7. Бахметьева Н.В., Бенедиктов Е.А., Игнатьев Ю.А. Статистические характеристики амплитуды КС. Радиотехника. 1985. № 3. С. 84-88.

Мамон Юрий Иванович, д-р техн. наук, доцент, главный специалист, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО ЦКБА,

Курбатский Сергей Алексеевич, начальник отделения, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО ЦКБА,

Карандин Денис Борисович, начальник кафедры, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тюмень, Тюменское высшее военно-инженерное командное училище имени маршала инженерных войск А.И. Прошлякова МО РФ,

Румянцев Владимир Львович, д-р техн. наук, профессор, заместитель начальника отдела, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО ЦКБА

EVAL UA TION OF THE INFL UENCE OF COMMUNICA TION CHANNEL PARAMETERS ON THE NOISE IMMUNITY OF SIGNAL RECEPTION

Yu.I. Mamon, S.A. Kurhatsky, D.B. Karandin, V.L. Rumyantsev

The description of fluctuations in the transmission coefficient of the ionospheric channel is Carried out. The relations for the error prohahility in the phase-manipulated signal reception system are determined. For a comparative assessment of the noise immunity of various communication systems, a two-heam model of the communication channel is often considered. The dependences of the prohahility of a symhol reception error on the signal-to-noise ratio are given.

Key words: communication channel, the signal fluctuations, the prohahility of sym-hol error, the noise of the reception.

Mamon Yuri Ivanovich, doctor of engineering sciences, associate Professor, chief specialist, cdhaeacdhae. ru, Russia, Tula, JSC CDBAE,

178

Kurbatskiy Sergey Alexeyevich, lead of department, cdhaeacdhae. ru, Russia, Tula, JSC CDBAE,

Karandin Denis Borisovich, head of the department, cdhaeacdhae. ru, Russia, Tyumen, Tyumen VVAI,

Rumyantsev Vladimir Lvovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, cdhaeacdhae. ru, Russia, Tula, JSC CDBAE

УДК 371.693

МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НА ВИЗУАЛЬНУЮ ОБСТАНОВКУ ДЛЯ ОПЕРАТОРА ПТРК

Н.С. Акиншин, А.И. Ковинько, А.Е. Романюта, И.А. Ростовцев

На основе анализа экспериментального материала создана модель, для различных состояний оптической погоды, каждая из которых характеризуется ансамблем входных параметров, при определенном профиле спектральной зависимости объемных коэффициентов аэрозольного ослабления. Дана оценка видимости цели оператором ПТРК с тепловизионной системой наведения при наличии кратковременных аэрозольных помех.

Ключевые слова: аэрозольные помехи, тренажерная система, оптическое излучение.

Наличие оптического канала наведения в системе управления делает ПТРК весьма чувствительным к воздействию аэрозольных помех, возникающих при боевом применении комплексов. Воздействие подобных помех связано с ухудшением видимости цели оператором, что приводит к снижению вероятности поражения цели с первого пуска и живучести ПТРК на поле боя. Аэрозольные помехи могут быть естественного (туман, дождь, облачность) и искусственного (пыледымовые облака от движения техники, специальные дымовые средства, разрывы снарядов) происхождения. Эти соображения делают задачу обучения операторов работе в сложной оптической обстановке одной из главных задач профессиональной подготовки в целом. Учитывая особенности функционирования различных анализаторов человека, специалисты стремятся к тому, чтобы такой тренажер позволил создать наиболее полную и точную копию информационной модели работы комплекса в реальном масштабе времени в виртуальной среде, максимально приближенной к реальной.

Современная тренажерная система представляет собой сложнейшее техническое устройство, содержащее в своем составе модели (имитаторы) отдельных систем. Поскольку основные операции при работе ПТРК выполняются визуально, остановимся более подробно на имитаторе визуальной обстановки, который представляет обучаемому информацию о состоянии окружающей среды и положении обучаемого в данной среде.

Для многих задач обучения (особенно связанных с адекватностью зрительного восприятия информационной величины) необходимо учитывать закономерности восприятия, которые изменяются в зависимости от угла зрения, дальности видимости и состояния окружающей среды, т. е. наличия монотонных (типа тумана) и немонотонных (типа рваной облачности, задымленности, пылевых облаков и т. п.) аэрозольных помех.

Поэтому целью работы является синтез математической модели влияния аэрозольных помех, которая учитывает влияние.

179