CC BY
15АНАЛИЗ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ H ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ СРЕДСТВ СВЯЗИ
УДК 621.376.9; 004.942; 519.876.5 DOI: 10.24412/2782-2141-2022-3-15-20
Построение эквалайзера для радиомодема в диапазоне коротких волн
Шаптала В. С.
Аннотация: Технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов упрощает реализацию приёмной части радиомодема, поскольку часто нет необходимости коррекции импульсной характеристики канала связи. Например, для относительно фазовой модуляции не имеет значения мгновенная фаза и амплитуда принимаемого сигнала. Но когда идёт речь о реализации когерентного приёма более сложных видов модуляции то коррекция импульсной характеристика канала связи необходима, особенно когда идёт речь о последовательных модемах, где единичный элемент сигнала занимает всю ширину полосы. В статье ставится задача коррекции амплитудных и фазовых искажений радиоканала при помощи фильтра с бесконечной импульсной характеристикой. Целью работы является создание модели радиомодема с эквалайзером который настраивается по известной последовательности. При моделировании используются методы цифровой обработки сигналов, компьютерного моделирования и теории связи. Новизна решения состоит в обобщении результатов выравнивания импульсной характеристики KB радиоканала для различных режимов прохождения радиоволн. К результатам работы следует отнести программный моделирующий стенд в виде объектно-ориентированного кода для вычислительной среды технических расчетов MATLAB. Практическая значимость работы заключается в том, что определены границы применения описанного способа для коррекции искажений в канале. Результаты работы могут использоваться при разработке аппаратуры передачи данных для радиосвязи.
Ключевые слова: относительно-фшовш модуляция, ортогональное частотное разделение каналов, квадратурная амплитудная модуляция, эквалайзер.
Введение
Радиосвязь в коротковолновом (KB) диапазоне за счет больших длительностей трасс часто является единственной альтернативой спутниковой связи, но сложная помеховая обстановка и высокая загруженность спектра не позволяют создавать высокоскоростные радиомодемы. Традиционные скорости 1200 - 4800 бит/с в канале тональной частоты достигаются с использованием дифференциальных видов модуляции, например относительно-фазовой модуляции (ОФМ). При реализации более высокоскоростных режимов работы радиомодема необходимо добавлять модуляцию по амплитуде для увеличения размерности сигнального созвездия. Многолучевое распространение сигнала приводит к частотно-селективным замираниям и поэтому для приема амплитудной составляющей в модуляции необходимо выравнивать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ).
Дифференциальные виды модуляции снижают скорость передачи, поскольку требуют опорную посылку для вычисления разницы фаз. Для линейных модемов опорная посылка не вносит вклад в декремент скорости, фактически это только задержка на длительность единичного элемента сигнала в отличии от пакетных модемов, где этот вклад нельзя недооценивать. Технология последовательного расширения спектра сигнала (FHSS - frequency-hopping spread spectrum) эффективно борется и с нестабильностью радиосвязи в KB диапазоне, и с преднамеренными помехами, но поскольку длительность слота должна быть минимальной, то опорная посылка может приводить к декременту от 25 % до 33 %. Для отказа от опорной посыпки требуется переход к видам модуляции, которые требуют когерентного приёма, что в свою очередь требует выравнивания группового времени замедления (ГВЗ) в демодуляторе.
Исходя из вышесказанного в демодуляторе необходимо скомпенсировать импульсную характеристику канала связи, что приведёт к коррекции АЧХ и фазачастотной характеристики (ФЧХ), что позволит осуществить демодуляцию сложного сигнального созвездия. Подобную работу в радиомодеме выполняет эквалайзер, исследованию которого и посвящена эта работа.
Описание модема и моделирующий стенд
Для исследования выбран широко используемый в KB радиоканале радиомодем с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM — orthogonal frequency-division multiplexing. При правильном выборе количества подканалов такой способ позволяет работать без эквалайзера для ОФМ, поскольку в пределах одного подканала искажения ГВЗ можно не учитывать. В нашем случае параллельный модем позволяет проще оценивать степень коррекции принятого сигнала, за счет того, что для демодуляции применяется преобразование Фурье, которое хорошо иллюстрирует работу эквалайзера. Используются два типа модуляции: ОФМ и квадратурная амплитудная модуляция (КАМ). На примере этих видов модуляций можно видеть и компенсацию поворота, и выравнивание амплитуды сигнального созвездия.
Модем работает с комплексным сигналом на частоте дискретизации 6400 Гц. Используется 32 частотных подканала, разнос частот между которыми составляет 100 Гц, что соответствует 128 точкам преобразования Фурье, длительность посылки 12,5 мс.
Моделирование происходит в системе технических расчетов MATLAB. Структурная схема моделирования представлена на рис. 1.
Рис. 1. Программный моделирующий стенд
Модель канала соответствует рекомендации ITU-R ^1487 [1], которая построена на базе модели Ваттерсона [2]. Для коррекции ГВЗ используется фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ). Для оценки импульсной характеристики канала связи на его вход подается дельта-функция и на основании полученных результатов рассчитывается БИХ фильтр для компенсации искажений. После этого сигнал радиомодема подается на вход канала связи с симметричными характеристиками и проверяется работа корректора на основе БИХ фильтра, оценивается сигнальное созвездие и коэффициент ошибок. За счёт того, что программным способом можно смоделировать два полностью одинаковых канала связи можно говорить о применимости результатов оценки по дельта-функции к исследуемому сигнальному созвездию.
В реальности этот метод не применим, поскольку необходимо определять импульсную характеристику по пилот-сигналу или по информационному сигналу. Оба этих способа значительно усложняют моделирование. Например, при использовании пилот-сигнала уменьшается информационная скорость и необходимо учитывать, что характеристики канала связи после известной последовательности могут измениться. Оценка импульсной характеристики по информационному сигналу, которая основывается на его корреляционных признаках является самым предпочтительным способом работы, но и самым алгоритмически и вычислительно сложным.
Ни один из этих способов нельзя начать использовать без умения создавать эквалайзер. Именно поэтому основная цель работы состоит в исследовании того, как выглядит импульсная характеристика сложного КВ радиоканала и насколько эффективным может быть применение эквалайзера.
Вычисление коэффициентов фильтра эквалайзера
Как было сказано выше, для выравнивания ГВЗ используется БИХ фильтр. Этот фильтр рассчитывается при помощи функции fdesign.arbgrpdelay(N,F,Gd), которая использует итерационную процедуру для минимизации ошибки ГВЗ, подробнее см. в [3]. Для её работы необходимо задать 3 аргумента: порядок фильтра, вектор частот и вектор ГВЗ. Необходимо принимать во внимание, что алгоритм расчёта фильтра не всегда сходиться.
Результаты моделирования
На рис. 2 - 4 представлены графики ГВЗ для трех основных типов канала из [1]: good channel, moderate channel и poor channel. На изображении слева это характеристика ГВЗ на выходе модели KB канала, а справа характеристика ГВЗ после работы эквалайзера. Видно, что чем хуже условия распространения, тем сложнее выравнять ГВЗ в рабочей области частот от 0 до 0,5. Также на рисунках очень хорошо видно, как увеличивается частотная селективность замираний. На оси ординат задержка в отсчетах сигнала, что соответствует, примерно, 156 мкс.
0.8 0.9 1 0 0.1 0.2
Рис. 2. Good channel
ITU-R F. !487
Modem
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Norm s I ¡zed frequency
_!_
_I_
_!_
_1_
0.1
0.2 03
0.4 0.5 0.6 0.7 Normalized freguency
OB 0.9
Рис. 3. Moderate channel
ITU-R F.1487
0 0.1 02 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 О Normalized freguency
i 0 0.1 02 0.3 СЫ В.5 0.6 0 7 0.8 09 Normalized freguency
Рис. 4. Poor channel
На рис. 5-7 представлены графики сигнального созвездия: слева на передающей стороне, а справа на выходе канала связи (синие кружки) и после работы эквалайзера (красные крестики). Видно, что с ухудшением условий распространения добиться эффективной компенсации смещения точек сигнального созвездия уже не получается.
1.5
0.5
-0.5
-151— 15
О
Transmitter side
1 1.5 15
Рис. 5. Good channel
-F.5
Receiver Bide
0.5
О
-0.5
-1 -0.5 0 0.5
In-phase
1.5
-1.5
о channel
+ modem
+ -
t о f
+ 0S-
rooo^ -H- +
-1.5 -1
-0.5 0 0.5 in-phase
15
Рис. 6. Moderate channel
15
0.5
2? ZJ
ra
-0.5
-1.51— -15
Transmittsr side
О
О
1.5
Receiver side
0.5
-0.5
-0.5 0 0.5 in-phase
1.5
-1.5
+
О channel
+ rrffiderre
+
ej- О
О
e , о er .
+ о + +
о о
О 0°°®0 о а и ° о
о о
о с®
+
+ +
+
+
-1.5
-1
-0.5 О 0.5 in-pha&e
1.5
Рис. 7. Poor channel
Выводы
В ходе экспериментов было определено среднее время вычисления коэффициентов БИХ фильтра, см. табл. 1. Длительность посыпки, как описано выше, 12,5 мс, поэтому для работы в режиме реального времени рассматриваемый алгоритм не подходит — требуется оптимизация по скорости, как минимум, в 100 раз. Также в табл. 1 указано количество посылок, для которых не получилось вычислить коэффициенты фильтра корректора ГВЗ. Это значение меняется от запуска программы, но оно хорошо иллюстрирует тот факт, что для особо сильных искажений, как правило, не удается создать необходимый корректирующий фильтр. Длительность всех экспериментов - 200 посылок.
Таблица 1 - Результаты моделирования
Порядок фильтра 8 16 32
Среднее время вычисления коэффициентов БИХ фильтра, с 0.24 0.58 1.41
Good channel, количество ошибок 12 56 13
Moderate channel, количество ошибок 4 31 3
Poor channel, количество ошибок 19 37 13
Разработанное программное обеспечение позволяет в среде MATLAB исследовать искажения сигнала при распространении по KB каналу, анализируя множество характеристик: АЧХ, ФЧХ, ГВЗ, импульсную характеристику, сигнальное созвездие на выходе канала связи и после коррекции; коэффициенты фильтра и результаты профилирования. Поддерживаются ОФМ и KAM модуляция. Размерность созвездия от 2 до 64 точек.
Реализован способ определения минимальной размерности БИХ-фильтра -рекурсивный алгоритм, который последовательно подбирает подходящую длину фильтра в диапазоне от 8 до 48 с шагом 2.
Метод fdesign.arbgrpdelay не позволяет эффективно компенсировать искажения ГВЗ для большинства каналов из рекомендации ITU-R F. 1487. Применим только для условно медленных замираний - Good channel.
Литература
1. ITU-R F.1487: Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators, 2000.
2. C. C. Watterson, J. R. Juroshek, and W. D. Bensema, "Experimental confirmation of an HF channel model," IEEE® Trans. Commun. Technol., vol. COM-18, no. 6, Dec. 1970.
3. Antoniou, A. Digital Signal Processing: Signals, Systems, and Filters., New York: McGraw-Hill, 2006, pp. 719-771.
References
1. ITU-R F.1487: Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators, 2000.
2. C. C. Watterson, J. R. Juroshek, and W. D. Bensema, "Experimental confirmation of an HF channel model," IEEE® Trans. Commun. Technol., vol. COM-18, no. 6, Dec. 1970.
3. Antoniou, A. Digital Signal Processing: Signals, Systems, and Filters., New York: McGraw-Hill, 2006, pp. 719-771.
Статья поступила 18 августа 2022 г.
Информация об авторе
Шаптала Василий Сергеевич - Начальник лаборатории ПАО «Интелтех», кандидат технических наук. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов в телекоммуникационных системах. E-mail: shaptalavs@inteltech.ru. Адрес: 197342, г. Санкт-Петерб^г, Кантемировская ул., д.8, тел. 8(812)448-19-01.
An equalizer for shortwave radio modem
V.S. Shaptala
Annotation: The orthogonal frequency division multiplexing simplifies development of receiver part of radio modem, because sometimes it is unnecessary to correct impulse response of radio channel. For example, for differential phase shift key modulation, the instantaneous phase and amplitude of the received signal does not matter. But when we speak about coherent types of demodulations, we must correct the impulse response especially for radio modems which don't use frequency sub channels. The article aims to correct the amplitude and phase distortions of the radio channel by an infinite impulse response filter. The main goal of this work is to create a model of the radio modem with an equalizer which is configured by a known sequence. In modeling, methods of communication theory and digital signal processing are used. The novelty of the solution is to compare the alignment of group time delay for a different types of radio channels. The result of the work is software modeling stand, which runs in MATLAB. The practical significance of the work is to determine the boundaries of usage described method of equalization. The results of the work are possible to use in the development of data transmission equipment for radio communications.
Keywords: relative-phase modulation, orthogonal frequency channel separation, quadrature amplitude modulation, equalizer.
Information about Author
Shaptala Vasily Sergeevich - Head of laboratory PJSC "Inteltech", Ph.D. of Engineering Sciences. Scientific interests: digital signal processing in telecommunication systems. E-mail: shaptalavs@inteltech.ru. Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya street 8, tel. 8(812) 448-19-01(12-15).
Для цитирования: Построение эквалайзера для радиомодема в диапазоне коротких волн // Техника средств связи. 2022. № 4. С. 15-20. DOI: 10.24412/2782- 2141-2022-3-15-20.
For citation: Shaptala V.S. An equalizer for shortwave radio modem. Means of communication equipment. 2022. No 4. Pp. 15-20. DOI: 10.24412/2782- 2141-2022-3-15-20 (In Russian).
