CC BY
10УДК 621.396.22.029.7
Применение метода расширения спектра в атмосферном оптическом канале связи
А.В.Поташникова, А.И. Чекасин, Е.В.Стрельцов, Н.В.Степанов
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Описан метод расширения спектра и вариант его реализации для атмосферного оптического канала связи. Приведены результаты анализа качества работы канала связи и выявлены достоинства и недостатки предлагаемого метода. Описаны основные этапы алгоритма преобразования информации, который применялся в экспериментальной аппаратуре. Результаты проведенных исследований могут быть использованы в тех областях связи, где требуется высокая конфиденциальность, мобильность и скорость передачи данных, включая финансовые, медицинские и военные применения.
Одним из способов повышения эффективности передачи информации с помощью модулированных сигналов через канал связи является расширение спектра. На сегодняшний день в существующих системах для этой цели используются два основных метода: псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) и расширение спектра методом прямой последовательности (DSSS -Direct Sequence Spread Spectrum). Метод DSSS по эффективности превосходит FHSS, но сложнее в реализации. Метод широко используется в области беспроводных сетей в таких системах, как CDMA и системах стандарта IEEE 802.11 [1].
В настоящей работе для оценки способа расширения спектра предлагается провести ряд испытаний, позволяющих определить эффективность метода DSSS в атмосферном оптическом канале связи. Для передачи данных в качестве среды распространения или электромагнитного тракта связи выбрана последовательность преобразования сигнала, которая начинается с информационного источника, проходит через все этапы кодирования/модуляции, передатчик, физический канал, приемник (со всеми этапами обработки) и завершается на получателе информации. Анализ свойств такого канала является важной частью работ по созданию систем связи и включает вычисление полезной и паразитной мощности в приемнике (соотношение сигнал/шум) [2].
В рассматриваемом канале связи для повышения эффективности обмена информацией используется способ расширения спектра методом прямой последовательности, который заключается в повышении тактовой частоты модуляции относительно исходной скорости передачи. Каждому передаваемому символу ставится в соответствие последовательность битов с меньшей длительностью. Тогда, если длительность информационного символа равна T, длительность передаваемого бита будет равна T/n, где n - количество битов в каждом символе. Пример расширения спектра методом прямой последовательности приведен на рис.1.
Этот способ улучшения связи применен в экспериментальном исследовании, предметом которого является атмосферный оптический канал связи макетного образца аппаратуры передачи данных, основными составляющими которой являются импульс-
© А.В.Поташникова, А.И.Чекасин, Е.В.Стрельцов, Н.В.Степанов, 2009
Рис. 1. Расширение спектра методом прямой последовательности (x(t) - информационные биты с длительностью T; g(t) - передаваемые чипы с длительностью Tin)
ный лазерный излучатель, работающий в инфракрасном диапазоне спектра, и фотоприемник. На рис.2 представлена схема макета аппаратуры. При этом главным критерием оценки качества оптической линии связи принимается степень достоверности передачи информации на заданное расстояние при заданной скорости с учетом воздействия внешних факторов. В качестве внешних факторов выбираются помехи, порождаемые различными источниками, и интерференция с сигналами от других источников или пользователей атмосферного оптического канала связи. Кроме того, на качество приема передаваемых сигналов влияет также степень поглощения излучения земной атмосферой. Азот и кислород воздуха не поглощают ИК-излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния. Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. В приземных слоях атмосферы в средней ИК-области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для такого излучения. Наличие в атмосфере взвешенных частиц - дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) - приводит к дополнительному ослаблению ИК-излучения в результате рассеяния его на этих частицах. В макете аппаратуры помехи моделируются путем изменения напряжения накачки, подаваемого на излучатель, и изменения чувствительности оптических датчиков.
Рис.2. Схема макета аппаратуры на базе атмосферного оптического канала связи
Эксперимент. Лазерный излучатель ИЛ11И-107 выдает импульсные сигналы в ИК-диапазоне, и с заданной частотой по оптическому каналу данные поступают на пять фотоприемников ФД-342, расположенных на некотором расстоянии от излучателя. Принимаемые сигналы с фотоприемников передаются на устройство обработки на базе ПЛИС РгоЛ81СР1и8 компании Лйе1 и далее обрабатываются на персональном компьютере. Программа обработки КЕЛВ_ЯЕ8 написана на языке программирования С++ в среде ВшЫег5 и взаимодействует с ПЛИС через ЬРТ-порт. Приведем основные этапы алгоритма обработки принятых данных:
1. Преобразование полученной из ОЗУ ПЛИС последовательности переданных сигналов в удобный для дальнейшей обработки вид.
2. Синхронизация полученной последовательности с эталоном (на этом этапе алгоритма находится первое совпадение входящей последовательности с заданной маской и отсекаются все предшествующие до совпадения биты).
3. Декодирование (синхронизированная последовательность сравнивается с маской и процент правильно совпавших битов записывается в итоговый массив).
4. Построение графика зависимости к от п, где к - процент совпадения маски с принятой последовательностью, п - порядковый номер принятого бита (построение графика помогает наглядно определить общее число совпадений маски со всей последовательностью).
5. Проверка условия совпадения маски с принятой последовательностью. В нашем случае задан порог совпадений, равный 0,8, т.е. если совпало больше 80% битов, то передавался заданный символ. В противном случае либо передавался другой символ, либо передача не состоялась.
На рис.3 приведен интерфейс программы КЕЛВ_ЯЕ8, применяемый для исследования метода расширенного кодирования. В верхнем левом окне последние пять битов отображенного слова соответствуют пяти фотодатчикам. Маска вводится пользователем вручную, в данном случае это 100000000 100000000 100000000 100000000 100000000 100000000 100000000 100000000 100000000. Далее вводится номер фотоприемника, данные от которого будут обработаны. Массив значений совпадения маски с синхронизированной последовательностью отображается в отдельном окне. По этим значениям сроится график совпадений в зависимости от номера бита. Далее подсчитывается общий процент совпадений как среднеарифметическое среди всех значений матрицы. И наконец, после проверки условия п.5 алгоритма выдается выходная последовательность символов. На рис.3 цифрой «1» обозначен правильно принятый символ, а цифрой «0» - ошибочный.
НОИ
аначвнив/№
SET RESET л 1oooooooo 0.91-0 A
5ЕТ FU5K 1oooooooo 0,91 -117
SET RESET 1oooooooo 0.92-162
SET READ 1OOOOOOOO 0.91 -279
ООО oooooooo I осoncon с 0.92-324
D01 oooooooo 1OOOOOOOO 0.92-485
002 oooooooo ioooooooo 0.91-494
003 oooooooo 1oooooooo 0,92-647
004 oooooooo 1oooooooo 0.91 -656
005 oooooooo 0.93-609
006 oooooooo 0.92'818
007 oooooooo 0.95-971 v
008 oooooooo
ООЭ oooooooo ■J: Фогад-аггчик-а
OOA oooooooo
00B oooooooo
ooc oooooooo Длина маски
ООО oooooooo 21
OOE oooooooo
OOF oooooooo : riser ||
СИ Li 011 oooooooo oooooooo Матрица
012 oooooooo 0.91 0,91 0,96 0,91 0,9s 0,91
013 oooooooo IS'
014 oooooooo 0,87 0,9 0,87 агЭ 0,8 0,87
015 oooooooo
016 oooooooo 0.9 0.87 0.9 0.£ S8 0.88 0.87
017 oooooooo
П1 R oooooooo 0,9 0,9 0,97 0,9 0,86 0,91
OID oooooooo
01A oooooooo 0,86 0,81 0,86 0,81 0,81 0,86
016 00000111 V v
График максимальный значений от их N- в передаваемой последовательности
Ч правильным символов [зт^Э
Выходная последовательность
limmmmmmmn
J
J
Рис.3. Интерфейс программы READ_RES (для метода расширенного кодирования): SET RESET - установка; SET PUSK - пуск, запись в ОЗУ ПЛИС; SET READ - чтение из ОЗУ ПЛИС посредством LPT-порта
Для анализа работы канала связи и оценки метода расширенного кодирования экспериментальные исследования проводились в три этапа.
Результаты и их обсуждение. На рис.4 представлены результаты первого этапа. Данные снимались с каждого фотодатчика, и в зависимости от напряжения накачки излучателя, задаваемого генератором, фиксировалось количество правильно переданных символов (в процентах).
Рис.4. Зависимость правильно переданных символов от напряжения накачки и с фиксированной чувствительностью фотоприемника без расширения спектра (а) и с расширением спектра (б).
Номера кривых соответствуют номерам фотодатчиков
Из рис.4,а видно, что уже при напряжении 49 В при обычной передаче количество правильно принятых символов резко падает, что нельзя сказать о передаче символов с использованием расширения спектра. Надо отметить, что на этих рисунках не достаточно ясно видно изменение параметров канала связи, так как отсутствовала возможность плавного изменения напряжения на выходе генератора накачки излучателя. Но три конечных измерения достаточно четко позволяют оценить преимущества расширенного кодирования при резком изменении помеховой обстановки.
Практически тот же самый результат можно получить и при попарном включении датчиков на втором этапе исследования. Данные представлены в табл. 1 и 2. Опыты проведены для анализа потери качества при работе двух фотодатчиков одновременно. Как видно из таблиц, качество связи с расширенным спектром уменьшилось на незначительную величину.
Третий этап исследований был проведен для анализа качества передаваемой информации при включении всех фотодатчиков одновременно. Результаты представлены в табл.3 и 4.
Как видно из таблиц, качество приема информации относительно канала с одним фотопремником ухудшается, но при использовании метода прямой последовательности эти потери незначительны. Среднее значение правильно переданных символов без расширения спектра примерно равно 19,5%, а с расширением - 91,8%, что является значительным улучшением передачи.
Проведенные исследования дали возможность оценить преимущества и недостатки метода расширенного кодирования. Использование метода ВЗББ позволяет улучшить качество передаваемой информации по атмосферному оптическому каналу связи в 4-5 раз. Данные каждого пользователя кодируются своей уникальной последовательностью. В оптических каналах связи используются различные методы построения таких кодов. Анализ, проведенный в [3], показал, что на сегодняшний день лучшие количественные показатели имеют квадратично согласованные коды, которые и были нами использованы в работе. Так как единица данных выдается генератором только тогда, когда передается импульс излучения, а в остальное время данных нет, то задача заключается в том, чтобы поймать и определить именно эти импульсы. Соответственно, увеличив последовательность расширения, обнаружим только девять единиц из 81 чипа (переданных бит). В рассматриваемой маске имеются в основном нули, что и дает такой скачок в качестве передачи информации. Очевидно, что чем короче маска, тем меньше процент совпадений.
Таблица 1
Зависимость правильно переданных символов от напряжения накачки и с фиксированной чувствительностью фотоприемников без расширения спектра при попарном включении датчиков
Номер и/2, В
фотодатчика 24,5 25,0 25,5 26,0 26,5 27,0
1 2,2 31,3 96,3 99,5 99,7 99,7
2 0,4 24,0 99,0 99,7 99,8 99,9
1 24,6 94,3 99,5 99,8 99,8 99,8
3 0,8 60,5 98,8 99,8 99,8 99,8
1 13,7 92,1 99,5 99,6 99,6 99,8
4 0,1 0,5 71,6 99,9 99,9 99,9
1 12,8 94,8 99,3 99,5 99,8 99,8
5 0,1 25,9 99,8 99,9 99,9 99,9
2 0,1 69,9 99,8 99,9 99,9 99,9
3 0,1 55,7 98,4 99,5 99,8 99,9
2 1,5 90,0 99,8 99,8 99,8 99,8
4 1,1 61,7 99,9 99,9 99,9 99,9
2 0,4 97,4 99,8 99,9 99,9 99,9
5 0,0 23,1 99,8 99,9 99,9 99,9
3 0,5 62,4 99,2 99,7 99,8 99,9
4 0,7 92,6 99,9 99,9 99,9 99,9
3 0,0 73,2 99,2 99,7 99,8 99,9
5 4,7 42,8 99,7 99,8 99,9 99,9
4 0,1 1,3 48,1 99,8 99,8 99,9
5 0,1 8,4 99,0 99,8 99,8 99,9
Таблица 2
Зависимость правильно переданных символов от напряжения накачки и с фиксированной чувствительностью фотоприемников с расширением спектра при попарном включении датчиков
Номер и/2, В
фотодатчика 24,5 25,0 25,5 26,0 26,5 27,0
1 93,5 100 100 100 100 100
2 88,0 98,5 100 100 100 100
1 99,7 100 100 100 100 100
3 100 100 100 100 100 100
1 99,8 100 100 100 100 100
4 89,7 99,8 100 100 100 100
1 98,7 100 100 100 100 100
5 94,0 100 100 100 100 100
2 88,7 100 100 100 100 100
3 99,9 100 100 100 100 100
2 93,3 100 100 100 100 100
4 99,8 100 100 100 100 100
2 94,6 99,9 100 100 100 100
5 98,9 99,9 100 100 100 100
3 99,8 100 100 100 100 100
4 99,6 100 100 100 100 100
3 99,9 100 100 100 100 100
5 95,1 100 100 100 100 100
4 99,9 100 100 100 100 100
5 98,8 100 100 100 100 100
Таблица 3
Количество правильно переданных символов (в %) при включении всех датчиков одновременно без расширения спектра и = (27-2) В
Номер фотодатчика Номе р эксперимента Среднее значение
1 2 3 4 5
1 19,2 18,8 18,9 19,4 18,9 19,0
2 19,9 19,9 19,6 19,7 20,2 19,8
3 19,5 19,3 19,1 19,6 19,4 19,4
4 19,8 19,4 19,5 19,9 19,5 19,6
5 19,9 19,8 19,3 20,1 19,5 19,7
Таблица 4
Количество правильно переданных символов (в %) при включении всех датчиков одновременно с расширением спектра и = (27-2) В
Номер фотодатчика Номе р эксперимента Среднее значение
1 2 3 4 5
1 91,8 92,0 91,7 91,8 91,6 91,8
2 91,9 92,1 92,1 91,9 91,7 91,9
3 91,9 92,0 92,1 91,9 91,6 91,9
4 91,7 92,1 92,0 91,8 91,7 91,9
5 91,9 92,1 92,1 91,9 91,6 91,9
Следует отметить, что при использовании метода расширения спектра количество передаваемой полезной информации уменьшается. При маске длиной 81 бит последовательность сокращается в 81 раз соответственно, т.е. если переданная по каналу информация состояла из 2048 бит, то полезная информация будет составлять всего лишь 2048/81 = 25 бит. Следовательно, число правильно переданных бит равно 0,195-2048 = 399, а в случае Б888 их всего 0,918-25 = 22, что является серьезной потерей информации при больших затратах на кодирование.
Вместо реализации метода прямой последовательности имеет смысл использовать другие методы кодирования, которые, например, позволяют определить и корректировать ошибки, т.е. передавать 2048 бит полезной информации с коррекцией ошибок, чтобы не тратить ресурсы канала и принять только 22 бита безошибочно. В проектируемой оптической аппаратуре для решения данной проблемы планируется использовать микромеханическое оптоэлектронное устройство (матрицу микрозеркал в качестве дополнительного модулятора излучения), обеспечивающее развертку луча в зависимости от настроек каждого микрозеркала. Матрица управляется таким образом, чтобы была возможность передавать либо «0» - излучения нет, либо «1» - излучение есть. Следовательно, чем больше микрозеркал в матрице, тем больше информации можно передать в одном оптическом канале. Например, при количестве зеркал равном 10 по вертикали и по горизонтали количество передаваемой информации возрастает в 100 раз относительно обычного канала связи. В нашем случае количество переданных символов возрастет до 2200. Приемник должен корректно обрабатывать заданную модуляцию луча и быть синхронизирован с передатчиком. При этом использование нескольких фотодатчиков одновременно влияет на качество передаваемой информации, что важно учитывать при реализации микрозеркальной модуляции.
Проведенные исследования наглядно доказали, что использование метода DSSS значительно улучшает качество передаваемой информации, а применение микромеханических зеркал позволяет увеличить количество передаваемых битов. Такое нестандартное использование метода расширения спектра на базе микромеханических зеркал в атмосферном оптическом канале связи дает возможность создания нового экономичного и качественного способа передачи информации.
Литература
1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.
2. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.
3. Chung R.K., Salehi J.A., Wei V.K. Optical orthogonal codes: Design, analysis and application // IEEE Translations on Information Theory. - 1989. - Vol. IT-35, N 3. - P. 595-604.
Статья поступила 5 февраля 2009 г.
Поташникова Алина Владимировна - инженер НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: системы связи, защита информации, цифровая схемотехника.
Чекасин Андрей Игоревич - младший научный сотрудник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: микропроцессорные системы, микромеханика, гироскопия, ориентация и навигация, защита информации.
Стрельцов Евгений Вадимович - младший научный сотрудник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: системы ориентации и навигации, микромеханика, защита информации, микропроцессорные системы.
Степанов Николай Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники МИЭТ. Область научных интересов: микропроцессорные системы для мобильных объектов.
Вниманию читателей журнала «Известия вузов. Электроника»
Оформить годовую подписку на электронную версию журнала можно на сайте Научной Электронной Библиотеки:
www.elibrary.ru
