CC BY
16УДК 621.61; 623.61
Повышение эффективности приёма сигналов амплитудной телеграфии
в декаметровом канале связи
Калякин А.Г.
Аннотация: в статье рассматривается один из технологических моментов будущей модели автоматического приёма сигнала амплитудной телеграфии в декаметровом радиоканале -фильтрацию в электронной вычислительной машине сигнала, полученного в виде квадратур из цифрового двухканального радиоприёмного устройства. Приведена схема для получения экспериментальных данных для обработки. Рассмотрен основной подход к вопросу фильтрации с выбором её инструмента и расчётом его параметров при известных параметрах сигнала. Представлен результат моделирования в пакете МайаЪ, подтверждающий успешное проведение фильтрации.
Ключевые слова: декаметровая радиосвязь, амплитудная телеграфия, квадратуры сигнала, дискретное преобразование Фурье, цифровое радиоприёмное устройство, фильтрация, отношение сигнал-шум.
Введение
В настоящее время отечественной промышленностью разработаны радиоприёмные устройства (РПУ) на SDR-технологии, предназначенные для работы в составе стационарных и подвижных автоматизированных комплексов связи морской подвижной службы, а также для автономного использования. На сегодня достаточно широко применяется двухканальное РПУ технологии программно-управляемого радио (SDR) ЦРПУ-2ДСК с диапазоном рабочих частот каждого из каналов 0.1-80 МГц. Имеются основания полагать, что данное РПУ станет в дальнейшем основным при построении автоматизированных комплексов связи [1].
Радиоканалы декаметрового (ДКМ) 3...30 МГц диапазона можно считать основными для организации дальней связи береговых пунктов управления с надводными кораблями (НК) и подводными лодками (ПЛ) в море, а также между НК и ПЛ, расстояние между которыми превышает дальность прямой УКВ-радиосвязи [2]. Сообщение, передаваемое в этом диапазоне, подвержено искажениям в виде помех, вследствие собственного шума приёмного оборудования, многочисленных радиостанций со всего мира и промышленных установок, особенностей прохождения и отражения радиоволн в слоях ионосферы в разное время суток, года и при разной геомагнитной обстановке, а также преднамеренных заградительных и прицельных радиопомех. Изделие ЦРПУ-2ДСК в достаточной мере обеспечивает фильтрацию помех вне полосы пропускания, однако это, разумеется, не может помешать воздействию помех в самой полосе пропускания.
Описание механизма получения отсчётов сигнала в квадратурном виде
В ходе эксперимента была проведена имитация приёмо-передающего тракта ДКМ диапазона, рис. 1.
Источником сигнала в коде Морзе выступает ЭВМ на базе шины ISA, через преобразователь уровня сигнала на базе субблока УМ-767 производства ПАО «Интелтех» сигнал передаётся в радиопередающее устройство (РПДУ) «Волна-С» со штырьевой антенной. Далее сигнал в режиме А1А-50 с символьной скоростью 60 зн/мин (10 бит/с) и полосой передачи 50 Гц излучается в эфир на частоте в 12,011 кГц. Принимается сигнал на штырьевую антенну и ослабляется аттенюатором на значение от 0 до 40Дб. Затем сигнал по экранированному кабелю передаётся на панорамное РПУ и приёмник ЦРПУ-2ДСК. Для приёма сигнала в коде Морзе в режиме амплитудной телеграфии в ЦРПУ-2ДСК
используется режим А1А - режим амплитудной телеграфии без модуляции периодическими колебаниями с полосами 300 и 1200 Гц.
ЭВМ
ЦРПУ-2ДСК
Панорамное РПДУ
ЭВМ Преобразователь РПДУ Антенна
уровня сигнала «Волна-С»
Радиоканал
Аттенюатор
Антенна
Рис. 1. Схема лабораторной установки для получения записи сигнала в квадратурном виде
Приёмник включен в режиме А1А-300 и производит квадратурную демодуляцию, в квадратурном виде с частотой дискретизации 3,125 кГц сигнал до проведения детектирования в самом РПУ передаётся в ЭВМ, где для дальнейшей обработки сигнала установлен пакет прикладных программ Ыа^аЪ (студенческая версия).
Таким образом, за счёт ослабления принимаемого сигнала и постоянного собственного теплового шума РПУ имитируется влияние белого шума на передачу сообщения в декаметровом диапазоне. Следует заметить, что ЦРПУ-2ДСК имеет и собственный детектор, однако в ходе эксплуатация изделия было принято решение для вторичной обработки сообщения получать сигнал до детектора и его дополнительного цифрового фильтра. Представляется оправданным отойти от привычного подхода «ЦОС и детектирование в РПУ - вторичная обработка в ЭВМ» и проводить дополнительную фильтрацию и детектирование сигнала самостоятельно средствами ЭВМ.
Анализ полученных данных
Принятый сигнал представлен на рис. 2 в виде трёхмерной фигуры, полученной средствами ЫайаЪ. Частота сигнала приведена в виде N частотных составляющих спектра.
У принятого сигнала приблизительное соотношение амплитуд сигнала и шума определено как 3,3:1, соответственно, соотношение мощностей SNR
Р = 10.9:1 или 10*12 Р.
Р
V Рп
= 10 Дб.
(1)
Пропускная способность канала или предел Шеннона определяется выражением [3]
С = А/ х 1о22
1 +
Р
натур. ед./сек,
(2)
п У
где А/ - ширина полосы пропускания канала, в режиме А1А-300 равняется 300 Гц.
Подставив исходные данные, получим, что максимальная пропускная способность такого канала составляет 1106 бит/с, следовательно, такого качества сигнала должно быть достаточно для передачи информации с заданной скоростью. Однако из осциллограммы
сигнала на рис. 3 видно, что прямое использование детектора с большой долей вероятности даст практически полный отказ от приёма исходного сообщения.
Рис. 2. Принятый сигнал в виде трёхмерной фигуры с осями «частота-время-амплитуда»
70
Номер отсчёта сигнала хЮ4
Рис. 3. Сигнал во временной области до проведения фильтрации
В ЦРПУ-2ДСК после формирования квадратур сигнал последовательно проходит три этапа предварительной фильтрации с полосами 3090, 700 и 300 соответственно, из этих данных и данных из графика 2 делается вывод, что шум, наблюдаемый на осциллограмме сигнала, находится в полосе пропускания последнего по порядку фильтра. Для дополнительной фильтрации используем такой универсальный инструмент цифровой обработки сигналов, как дискретное преобразование Фурье (ДПФ): [4]
v N-1 „ -j*2nkn/N
Xk = £ xn * е J k
(3)
где хп - отсчёт входного сигнала во временной области, х - отсчёт выходного сигнала в
к
частотной области, N - количество частотных компонент разложения сигнала.
Для применения преобразования следует выбрать оптимальное значение N. Здесь его выбор можно сделать, исходя из предполагаемого алгоритма использования преобразования. Смысл использования ДПФ состоит в том, чтобы в исследуемом сигнале избавиться от частотных компонент, лежащих вне полосы передаваемого сигнала. В этом случае логичным решением выглядит приравнивание этих компонент к нулю и проведение обратного ДПФ для перехода во временное представление сигнала. Однако существует возможность
перехода во временное представление без обратного преобразования, что позволяет уменьшить требуемые для вычисления мощности и упростить алгоритм. В общем смысле разложение в ряд Фурье
а
/ (х) = —- + Е (ап собпх + 6И ътпл) (4)
2 п=1
представляет собой выражение периодического интегрируемого на сегменте [—п, п] сигнала в виде суммы сигналов синусоидальной формы [5]. Математическая модель сигнала в ДКМ канале имеет вид:
ие (0 = и с соэ(ю сг - 6 с )+ Е ик соб^В кг - 9 к ), (5)
к=1
где ис, юс, 9с - амплитуда, частота и фаза составляющей сигнала с постоянными параметрами (искомый сигнал, содержащий в себе передаваемое сообщение); и^, ю^, -
составляющих сигнала со случайными параметрами [6].
Искомый сигнал представляет собой синусоидальное колебание, которое в случае разложения в ряд Фурье представляется в виде одной или нескольких частотных составляющих ап собпх в сумме с другими сигналами. Разложив в ряд Фурье или, если
точнее, применив ДПФ к некоему отрезку исходного сигнала и выбрав из него исключительно коэффициент ап искомой частотной составляющей, мы получим отношение амплитуды информационного сигнала к коэффициенту к
а
иС = а^ , (6)
к
где к постоянна при каждом новом ДПФ и зависит от N. В данной статье не производится вычисление к, однако оно, без сомнения, важно для дальнейшего определения порога и недопущения переполнения области памяти в вычислительном устройстве и заслуживает рассмотрения в отдельной статье.
Исходя из вышеизложенного, количество частотных компонент N определяется при помощи предела Шеннона. Согласно его теореме, если производительность источника сообщений Н'(х) < С, то сообщение дискретного источника может быть закодировано и затем восстановлено с вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю [4]. Н'(х) в нашем случае фиксированная и составляет 10 бит/с. Мы можем уменьшать полосу сигнала вышеописанным способом до достижения предела:
Н' (х)< А/ * 1ов-
' Р." 1 + —~
V Рп У
(7)
Подставив в выражение исходные данные, мы получим
А/ > 2.8 Гц.
Частота дискретизации сигнала составляет ^ = 3.125 кГц, поэтому номинальное число частотных компонент
Р
= 1116 А/ •
Ближайшей целой степенью двойки, не превышающей данное число, является 1024. Однако было выбрано окончательное значение N = 512 ввиду того, что среднеквадратичное значение паразитного отклонения частоты (ПОЧ) выходного колебания РПДУ может доходить до 3 Гц. В дальнейшем, в отдельной статье целесообразно рассмотреть способы борьбы с частотной отстройкой, вызванной ПОЧ РПДУ и РПУ и свойствами радиоканала.
Также необходимо выбрать число входных отсчётов сигнала п, к которым применяется преобразование. В обычном варианте п = N, однако, в этом случае потребуется
взять 512 отсчётов, что при текущем значении ^ несут информацию о 0.16 сек. сигнала. В предложенном алгоритме этот отрезок времени, который превышает длину одного бита информации при известной скорости, вырождается в один отсчёт частотной составляющей, что, в дальнейшем, не оставляет возможности для восстановления исходного сообщения. В таких случаях допустимо приводить в массиве входных данных отрезок сигнала с меньшим количеством отсчётов, а оставшееся место заполнить нулевыми значениями. С другой стороны, уменьшение числа отсчётов входного сигнала при неизменном N уменьшает отношение SNR, т.к. согласно выражению (3), каждая частотная составляющая спектра представляет собой сумму произведений отсчётов входного сигнала хп на экспоненциальное - ]*2пкп / N
выражение е , и увеличение в массиве входного сигнала нулевых значений
приводит к тому, что результат выражения (3) стремится к нулю. Следовательно,
уменьшается разница между амплитудами сигнала и шума, -стремится к 1.
и п
Также необходимо учесть, что для предотвращения нелинейных искажений БПФ следует использовать со смещением, когда в каждом новом входном массиве должны присутствовать отсчёты предыдущего массива.
Результат применения преобразования Фурье к отсчётам сигнала
Исходя из вышеперечисленных соображений, в итоговом варианте количество входных отсчётов было выбрано равным 150 при N = 512, БПФ применялось со сдвигом на 10% - 15 отсчётов. После каждого вычисления из полученного массива выбиралось значение частотной компоненты, соответствующей передаваемому сигналу, и помещалось во вновь создаваемый временной массив как амплитуда искомого синусоидального колебания. После данной процедуры сигнал был смещён на постоянное значение для упрощения дальнейшего детектирования. Результат приведён на рис. 4.
Очевидно, что из записи принятого сигнала были удалены шумы, лежащие в полосе РПУ, но не в полосе передаваемого сигнала. Если применить пороговый детектор со значением порога в ТЯ5 = 839 ус. ед., то фрагмент сигнала примет вид, показанный на рис. 5. (выходное значение было увеличено в 10 раз для масштабирования).
20 СЮ
10000
12000
4000 6000 3000 Номер отсчёта сигнала Рис. 4. Результат фильтрации после перехода во временную область
Можно без труда различить на данной записи отрывок сообщения в коде Морзе: «СИГНАЛ 4321». Этот текст полностью соответствует отрывку исходного сообщения.
10.4 -10.2 -10 " 9.8 " 9.6 -9.4 -9.2 -
7200 7400 7600 7В 00 3000 3200 3400 Номер отсчёта сигнала Рис. 5. Результат детектирования сигнала с применением порога
Вывод
Переход от вторичной обработки сигнала, прошедшего через пороговое устройство производителя РПУ, к самостоятельной обработке квадратур позволяет гибко настраивать приёмный комплекс, исходя из известных параметров сигнала, которые производителю РПУ известны быть не могут. Разумеется, в автоматизированном приёмном комплексе пороговое значение и точная скорость передачи должны вычисляться без участия оператора, и алгоритмы их вычисления заслуживают рассмотрения в отдельной статье. Также важным направлением исследований следует полагать поиск сигнала в частотной области для борьбы с частотной отстройкой и вычисление коэффициента к. После успешного решения этих задач будет возможно смоделировать автоматический приём сигнала в коде Морзе и сравнить с вариантом приёма с использованием порогового детектора РПУ.
Литература
1. Кулешов И.А., Солозобов С.А., Шевченко В.В. Проблемы радиосвязи в Арктике // Техника средств связи. 2018. № 3. С. 21-30.
2. Автоматизация управления и связь в ВМФ. Под общ. ред. Ю.М. Кононова. - СПБ.: «Элмор», 2001. - 512 с.
3. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: Сов. радио. 1970. 728 с.
4. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов - СПб.: Питер, 2003. 604 с.
5. Романовский П.И. Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа. - М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973. 336 с.
6. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. - М.: Радио и связь, 1990. 240 с.
References
1. Kuleshov I.A., Solozobov S.A., Shevchenko V.V. Problems of radio communication in the Arctic. Communication equipment. 2018. No 3. Pp. 21-30.
2. Automation of control and communication in the Navy. Under the general. Ed. Yu.M. Kononov. St. Petersburg: Elmore, 2001. 512 p.
3. Fink L.M. Discrete Message Transfer Theory. Moscow: "Soviet Radio." 1970. 728 p.
4. Sergienko A.B. Digital signal processing. St. Petersburg: Peter. 2003. 604 p.
5. Romanovsky P.I. Rows of Fourier. Field theory. Analytical and special functions. Laplace Transform. Moscow. Main edition of the physical and mathematical literature of the publication "Science". 1973. 336 p.
6. Golovin O.V. Decameter radio communication. Moscow. Radio and communications. 1990. 240 p.
Статья поступила 24 декабря 2021 г.
Информация об авторах
Калякин Артем Геннадьевич - Инженер ПАО «Интелтех». Тел. +7 (812) 448-96-23. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Адрес: 197342, г. Санкт-Петербург, Кантемировская ул., д. 8.
Increase of efficiency of amplitude telegraphy signals reception in decameter communication channel
A.G. Kalyakin
Annotation: the article considers one of the technological aspects of the future model of automatic reception of the AT signal in a decameter radio channel - filtering in an electronic computer of a signal obtained in the form of quadratures from a digital two-channel radio receiving device. A scheme is given for obtaining experimental data for processing, the main approach to the issue of filtration, the choice of its tool and the calculation of its parameters with known signal parameters. The simulation result is presented in the Matlab package, confirming the successful filtering.
Keywords: decameter radio communication, amplitude telegraphy, signal quadratures, discrete Fourier transform, digital radio receiver, filtering, signal-to-noise ratio.
Information about Autors
Artem Gennadievich Kalyakin - Engineer of PJSC «Inteltech». Tel. +7 (812) 448-96-23. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya street 8.
Для цитирования: Калякин А.Г. Повышение эффективности приёма сигналов амплитудной телеграфии в декаметровом канале связи // Техника средств связи. 2021. № 4 (156). С. 79-85.
For citation: Kalyakin A.G. Increase of efficiency of amplitude telegraphy signals reception in decameter communication channel. Means of communication equipment. 2021. No 4 (156). Pp. 79-85 (in Russian).
По материалам конференции молодых ученых и специалистов ПАО «Интелтех», посв. 60-летию первого полета человека в Космос (г. Санкт - Петербург, 24 ноября 2021 года)
