CC BY
144
УДК 621.396.96
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ЦИФРОВЫХ СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ
С.Н. Панычев, Е.Н. Глущенко, Н.А. Самоцвет, С.В. Суровцев
Приводится описание методического и аппаратурного обеспечения оценки эффективности и помехозащищенности цифровых средств радиосвязи, на основе которого создан специализированный программно-аппаратный комплекс (ПАК). Дано краткое описание принципов построения ПАК
Ключевые слова: ПАК, помехозащищенность, проектирование
Введение
Одной из важнейших характеристик эффективности современных цифровых каналов радиосвязи является их помехозащищенность, которая определяется через отношение средних мощностей полезного сигнала и помехи на входе приемника средства связи. Наряду с отношением помеха-сигнал, защитным отношением, в настоящее время применяется большое количество информационных показателей, ха-растеризующих эффективность и помехозащищенность каналов связи [1 - 3]. Специфика цифровых каналов связи хорошо учитывается путем практического применения показателя относительные информационные потери (ОИП), который введен в работе [3]. В основу этого показателя положена процедура расчет-но-экспериментального определения законов распределения амплитуд или мощностей сигналов и помех на входе приемника цифрового радиосредства [4]. Потребности практики испытаний на эффективность и помехозащищенность цифровых средств радиосвязи обусловливают необходимость разработки специализированного методического, программного и аппаратурного обеспечения испытаний перспективных средств связи. Исходя из изложенного, целью данной статьи является описание принципов построения программно-аппаратного комплекса (ПАК) для оценки эффективности и помехозащищенности цифровых средств радиосвязи по информационному показателю.
Методическое обеспечение ПАК
1. Информационный показатель эффективности и помехозащищенности.
Оценка помехозащищённости РЭС цифровых радиоканалов (ЦРК) связи в процессе их
Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, тел. 8-915-583-90-02
Глущенко Евгений Николаевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-905-654-02-78
Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-871-87-04
Суровцев Сергей Владимирович - ЦСИР АО «НТЦ РЭБ», начальник отдела, тел. 8-905-653-78-55»
испытаний на РЭЗ производится по показателю выходной информационный показатель помехозащищенности цифровых РЭС связи: ОИП на выходе ЦРК входе информационного конфликта РЭС и средств РЭП. В соответствии с [3] он определяется следующим образом:
- для ЦРК с ортогональными сигналами и когерентной обработкой:
(д, М ) = вхр{-В,(М )д2}; (1)
- для ЦРК с ортогональными сигналами и некогерентной обработкой:
ут (д, М) = гхр{-В2(М )д3},
(2)
где В1(М), В2(М) - параметры характеристик ОИП ЦРК;
д - отношение сигнал-помеха (по напряжению) на входе приемника ЦРК.
ОИП зависит от вида модуляции, параметров закона распределения вероятностей помеха-сигнал в ЦРК, вида передачи и обработки принимаемых сигналов в нем.
Параметр ВХ(М) (функция потерь), определяется средней вероятностью ошибки приема элемента (бита) информационного сообщения Ре. Показатель Ре определяется экспериментально.
Для заданной величины Ре соответствующее значение параметра В1 (М) определяется по графику, приведенному на рисунке 1. Параметр М определяется формулой М = 2т, где т - количество информационных бит. При некогерентной демодуляции сигналов значение параметра В2(М) принимают равным 0,05. Параметр д определяется экспериментально.
2. Методика оценки ОИП с помощью ПАК.
В соответствии с действующим европейским стандартом ETS 300 113, который определяет перечень контролируемых параметров цифровых радиостанций, методика их измерений заключается в следующем. Для цифровой радиостанции в качестве стандартного модулирующего сигнала используется псевдослучайная последовательность бинарных импульсов
заданной длительности (от 2 до 512 символов). Модулирующие сигналы воспроизводятся входящим в состав ПАК генератором, разработанным для измерения параметров радиосредств соответствующих цифровых стандартов радиосвязи (GSM, TETRA и др.).
Исследуемый приемник настраивают на заданный рабочий частотный канал. На высокочастотный вход приемника подают испытательный сигнал с генератора. По детектированному сигналу с выхода приемника с помощью запоминающего цифрового осциллографа измеряют величину относительной ошибки на бит (BER) Pe.
На следующем этапе испытаний с целью количественной оценки помехозащищенности приемника на ВЧ вход последнего одновременно подают (через коаксиальный тройник) цифровой испытательный сигнал и помеху заданного вида от генератора помех. Детектированный сигнал с выхода приемника подается на осциллограф для измерения численного значения показателя помехозащищенности Ре.
В соответствии с принятыми в ПАК показателями помехозащищенности (1) и (2) корректное определение помехозащищенности цифрового канала требует также количественной оценки энергетического отношения сигнал - помеха q.
В ( q , M , Pe )'
0,8
0,6
0,4
0,2
// /7 /У у у sT M = 2
// // //'Л уу / ^ = 4 ^О4 = 8 32
^ = 1024
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5 р
1 0
Рис. 1. Зависимость потерь от вероятности ошибки приёма элемента (бита) сообщения
1
0
В работе [4] предложен новый методический подход для повышения точности оценки технических и информационных показателей радиоэлектронной защиты, который реализован в ПАК. Сущность подхода заключается в оценке характеристик законов распределения мгновенных значений амплитуд сигналов и помех с помощью современной цифровой измерительной техники. Такой подход существенно повышает качество современных методов оценки показателей радиоэлектронной защиты в процессе испытаний цифровых радиоканалов на эффективность и помехоустойчивость. При этом совместно и одновременно определяются экспериментально показатель BER и отношение спектральных плотностей распределения вероятностей амплитуд сигнала и шума (помехи)
q =
Рс (А)
(3)
Рп(АУ
где Рп (А) - плотность распределения вероятностей (ПРВ) мгновенных значений амплитуд шума (помехи) в частотной полосе приема;
РС (А) - ПРВ мгновенных значений амплитуд цифрового сигнала (в общем случае также имеющего случайную компоненту) в той же частотной полосе приема.
Пример получения показателя (3) в виде отношения ПРВ мгновенных амплитуд сигнала и шума, распределенных по нормальному закону, но с различными параметрами распределения, приведен на рис. 2а и 2б.
Исходные данные
| — Нормальное распределение мзт.ожидзние=4 дисперсия-3 — Нормальное распределение матожидание=2 дисперсия=4
-----------------------.;.___
2 0,10 о.
1 1
1 1
1 1
1 1
- п г -
1 ч.
_______
1
1 X -
1
1 \ -
1 \
/ г ч
1
чЧч : '
1 .... 1
—+---Г--"". „ 1
О ОО -
0,00
-10
о
и, в
Рис. 2а. Пример статистической оценки показателя (3). ПРВ сигнала и шума
Результат
— Результат деления]
Рис. 2б. Пример статистической оценки показателя (3). Результат, полученный по формуле
В работе [4] показано, что применение такого статистического методического подхода для оценки первичных показателей помехозащищенности цифровых каналов связи, в частности, энергетического отношения д позволяет повысить результирующую точность оценки этого параметра на 30 - 40%. При этом повышается достоверность результатов расчета информационных показателей (1), (2).
3. Программно-аппаратное обеспечение комплекса оценки помехозащищенности.
ПАК обеспечивает автоматизированное выполнение следующих функций:
- ввод исходных данных, необходимых для расчета показателей помехозащищенности (1), (2) и (3);
- формирование информационно-справочной базы данных по результатам работы испытуемых приемников цифровой радиосвязи;
- сбор, обработку, хранение и отображение данных о средствах цифровой связи (в текстовом, табличном и графическом форматах в зависимости от представляемой информации);
- управление комплексом во всех предусмотренных режимах;
- управление измерительными приборами комплекса (генераторами тестового сигнала и помех, измерительным приемником, запоминающим осциллографом) в автоматизированном режиме через интерфейс;
- расчет вероятностных характеристик качества ЦРК (ОИП).
Для реализации всех перечисленных функций в полном объеме ПАК имеет в своем составе следующие аппаратные средства:
- автоматизированное рабочее место (АРМ);
- комплекс специальных программных средств для реализации адаптивных алгоритмов и технологий измерительно-расчетной методики оценки ОИП;
- измерительные приборы.
АРМ функционально связан со средствами измерений характеристик цифровых радиосредств через общий интерфейс.
На ПЭВМ автоматизированного рабочего места используется общее программное обеспечение и комплекс специальных программных средств.
В состав общего программного обеспечения входят:
- операционная система;
- система управления базами данных.
В качестве операционной системы была выбрана операционная систем Microsoft Windows, которая обеспечивает в текущем проекте наибольшую функциональную гибкость и поддержку как аппаратного, так и про-
граммного обеспечения. Наибольшим достоинством является быстрое развертывание программных компонентов, решающих прикладные задачи комплекса. В сравнении с операционными системами семейства Linux, данная система обладает более быстрой настройкой и привычным пользовательским интерфейсом.
Основным измерительным прибором комплекса является специализированный приемник. В настоящее время наиболее точные и совершенные приемники такого типа выпускает фирма «ROHDE&SHCWARZ». Прибор класса ESU является измерительным приемником электромагнитных помех высшего класса для проведения измерений в полном соответствии со стандартом CISPR16-M. Он удовлетворяет всем требованиям гражданских и военных стандартов на измерения электромагнитных помех. Внешний вид типового приемника приведен на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид приемника «ROHDE&SHCWARZ»
Прибор существует в трех исполнениях с щенные технические характеристики ESU26 диапазонами частот от 20 Гц до 40 ГГц. Обоб- приведены в таблице.
Обобщенные характеристики измерительного приемника ESU26
Диапазон частот 9 кГц - 26,5 ГГц (в зависимости от опций)
Полоса частот в реальном времени 20 МГц
Точка пересечения по интермодуляционным составляющим 3 порядка (IP3)
ВЧ 35 дБм (входной уровень -6 дБм)
ОВЧ 23 дБм
УВЧ 23 дБм
Время установки синтезатора 1 мс
Режимы демодуляции AM, FM, фМ, I/Q, PULSE, TV, LSB, USB, ISB, CW
Значения измерения в соответствии с ITU частота, разнос частот, отклонение частоты, отклонение фазы, глубина модуляции, ширина полосы, напряженность поля
Диапазон демодуляции и измерения 31 полоса от 100 Гц до 20 МГц
Диапазон ПЧ спектра 14 полос от 1 кГц до 20 МГц
Интерфейс данных 1 Гигабит Ethernet (стандарты 10/100/1000BaseT)
Видео/ПЧ выход (переключается) 2 канала, управляемое усиление, уровень >0 дБм
Таким образом, программно-аппаратный комплекс в составе измерительного приемника, генераторов сигналов и помех, запоминающего осциллографа и ПЭВМ обеспечивает количественную оценку информационных показателей эффективности и помехозащищенности цифровых каналов радиосвязи в соответствии с действующими международными стандартами качества с гарантированной точностью.
Литература
1. Овчинников А.М. Измерение параметров средств цифровой радиосвязи / А.М. Овчинников, В.А. Галки, Е.П. Варукин // Технологии и средства связи. - 2006. - № 3. - С. 38 - 46.
2. Максимов М.В. Защита от радиопомех / М.В. Максимов, М.П. Бобнев, Б.Х. Кривицкий и др. // Сов.радио - М., 1976. - С. 40 - 55.
3. Владимиров В.И. Избранные вопросы радиоэлектронного подавления цифровых сигналов систем радиосвязи / В.И. Владимиров, И.В. Владимиров,
B.В.Наметкин. - Воронеж: ВАИУ, 2010. - 119 с.
4. Панычев С.Н., Пашук М.Ф., Самоцвет Н.А., Суровцев С.В. Универсальный показатель для оценки эффективности маскирующих и имитационных радиопомех // Радиофизика, 2015. Т. 15 (в печати).
5. Глущенко Е.Н. Автоматизированная методика оценки информационных потерь в каналах цифровой связи. // Вестник воздушно-космической обороны, 2016. (в печати).
6. Бененсон Л.Д. Рассеяние электромагнитных волн антеннами. / Л.Д. Бененсон, Я.Н. Фельд // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. XXXIII. №2. - С. 225 - 245.
7. Воскресенский Д.И. Эффективная поверхность рассеяния остронаправленных антенн и антенных решеток / Д.И. Воскресенский, Л.И. Пономарев, А.В. Шаталов // Вопросы снижения эффективной поверхности рассеяния; Под ред. П.Я. Уфимцева. М.: ИРЭ РАН. - 1989. - С. 117 -125.
8. Панычев С.Н. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Измерительная техника. - 1995. №5. - С. 56 - 58.
9. Гладышев А.К. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС / А.К. Гладышев, Е.Ф. Иванкин, С.Н. Панычев // Измерительная техника. - 1995. №2. - С. 48 - 50.
10. Еремин В.Б. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток. / В.Б. Еремин, С.Н. Панычев // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. №8. - С. 61 - 70.
11. Панычев С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенны на энергетические параметры спутниковых систем связи. / С.Н. Панычев // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2001. - №3 - 4. - С. 74 - 79.
12. Панычев С.Н. Косвенный метод определения структурной составляющей рассеяния антенны. / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // В сб.: Радиопромышленность. -М.: НИИЭИР. - 1993. - С. 60 - 62.
13. Панычев С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния измерительных антенн на точность измерения плотности потока энергии электромагнитного поля. / С.Н. Панычев, П.М. Мусабеков // Метрология. - 1998. - Т №6. -
C. 36 - 41.
14. Панычев С.Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радио-
волн на антеннах СВЧ. / С.Н. Панычев // Антенны - Вып. 5 (51). - 2001. - С. 68 - 70.
15. Гладышев А.К. Экспериментально-расчетная модель оценки характеристик рассеяния апертурных антенн. / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Метрология. - 1993. - №11. - С. 24 - 28.
16. Гладышев А.К. Оценка возможности применения измерительных антенн в качестве рабочих мер ЭПР. / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Измерительная техника. - 1993. - №2. - С. 57 - 59.
17. Ибрагимов Н.Г., Панычев С.Н., Савинов В.А. Методика и результаты эксперимента по исследованию характеристик отражения рупорной антенны в широком диапазоне частот. / Н.Г. Ибрагимов, С.Н. Панычев, В.А. Савинов // В кн.: Антенные измерения. ВНИИРИ. - Ереван, 1990. - С. 191 - 192.
18. Кузнецов А.А. Характеристики рассеяния линейных вибраторных решеток Ван-Атта. / А.А. Кузнецов // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - №5. - С. 37 - 43.
19. Суровцев С.В. Формализованный подход к генерации рациональных вариантов развития системы испытаний техники радиоэлектронной борьбы. / С.Н. Паны-чев. Д.М. Бывших, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. № 3-1. - С. 71-75.
20. Волков А. В. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области /А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. -
2013. - Т. 9. № 4. - С. 12-14
21. Панычев С.Н. Оптимальный прием и обработка радиосигналов в нелинейном канале ВЧ-облучения для дистанционного снятия акустической информации / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. № 5. - С. 94-98
22. Панычев С.Н. Расчетно-инструментальный метод анализа прохождения случайного процесса через нелинейную цепь / С.Н. Панычев, М.Ф. Пашук, В.М. Пито-лин, Н.А. Самоцвет, А.Е. Ломовских // Вестник Воронежского государственного технического университета. -
2014. - Т. 10. № 5. - С. 109-113.
23. Самоцвет Н.А. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств / В.М. Питолин, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, С.А. Акулинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. №.6-3. - С. 45-48.
24. Самоцвет Н.А. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров / В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.В. Волков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. №.5-1. - С. 34-36.
25. Панычев С.Н. Алгоритм формирования имитационных помех с заданными спектральными и информационными свойствами / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, С.В. Канавин // Труды XIX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» RLNC- 2013. - Воронеж - Т.3. - С. 2012-2017.
26. Суровцев С.В. Когнитивный алгоритм корреляционно-фильтровой обработки сложных сигналов на фоне гауссовых шумов / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет // Труды XX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» RLNC- 2014. - Воронеж - Т.4. - С. 2000-2008.
27. Самоцвет Н.А. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности
цифровых радиоприемных устройств. / С.Н. Панычев, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, С.В. Суровцев // Материалы ежегодной Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» Воронеж: ВГТУ кафедра «Системы автоматизированного проектирования и информационные системы». - 2014. - 4 С.
28. Самоцвет Н.А. Методы формирования и обработки радиопомех с учетом их статистических свойств на основе технологий векторной генерации и анализа радиосигналов / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, Е.А. Сытник // Материалы IV НТК молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО» М.: ГСКБ «Алмаз-Антей». - 2013. - С. 300-306.
29. Авдеев В.Б. Особенности современных методов моделирования приема и обработки случайных радиосигналов на фоне шумов и помех. / Авдеев В.Б., С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет // Доклад на конференцию 04.10.2013 Воронежский институт ФСИН. Воронежского института ФСИН России. - 2013. - №4. - С. 90-97.
30. Самоцвет Н.А. Моделирование приёма и обработки случайных радиосигналов и помех / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Материалы XII Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», Воронеж: ВГТУ. - 2013. С. 18-19.
Воронежский государственный технический университет
«Центр системных исследований и разработок» АО «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы», г. Воронеж
SOFTWARE AND HARDWARE SYSTEMS TO ASSESS THE EFFICIENCY AND NOISE IMMUNITY OF DIGITAL COMMUNICATION TOOLS
S.N. Panychev, E.N. Gluschenko, N.A. Samotsvet, S.V. Surovtsev
The description of the methodology and hardware to ensure efficacy and noise immunity of digital radio communications, on the basis of which a specialized software and hardware. A brief description of the principles of design of hardware and software
Key words: hardware and software system, noise immunity, design
