CC BY
41
УДК 004.912
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-94-99
РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
С СИГНАЛОМ CE-OFDM
А.Г. Дубровин, И.Н. Солодков, А.Ю. Андросов
В статье описан процесс разработки имитационной модели системы связи с CE-OFDM. Исследованы этапы формирования и обработки сигнала CE-OFDM, проведена оценка помехоустойчивости сигнала CE-OFDM для различных индексов модуляции.
Ключевые слова: система спутниковой связи, CE-OFDM, индекс модуляции, имитационное моделирование в Matlab.
В настоящее время системы спутниковой связи (ССС) играют важную роль при обеспечении связи из районов возникновения чрезвычайных ситуаций, транспортных средств находящихся в движении, а также мест, необорудованных традиционными средствами телекоммуникаций.
Особенностью спутниковой связи является использование для организации связи частотно-энергетического ресурса (ЧЭР) ретранслятора связи (РС) ИСЗ, принадлежащего национальному или международному спутниковому оператору. В условиях достаточно высокой стоимости аренды ЧЭР важной экономической задачей является его эффективное использование.
Активное развитие и применение современных телекоммуникационных услуг, таких как передача видеоинформации в режиме реального времени и/или больших графических файлов, обуславливает необходимость использования высокоскоростных каналов передачи, что в свою очередь приводит к необходимости расширения задействуемой для ретрансляции сигнала полосы частот ретранслятора связи.
Данная особенность вынуждает производителей телекоммуникационного оборудования разрабатывать способы формирования и обработки сигналов, реализующих более высокую спектральную эффективность по сравнению с традиционными способами модуляции.
В наземных системах передачи информации активное развитие получили системы широкополосного беспроводного доступа (ШБД) стандартов 802.11, 802.16, LTE, 5G и др.[2, 3, 4], реализующие передачу информации с помощью ортогональных частотных несущих (OFDM- Orthogonal frequency-division multiplexing) (рис. 1), и обладающие рядом достоинств, к которым относятся: высокая спектральная эффективность, простая аппаратная реализация, противодействие межсимвольной и межканальной интерференции, возможность применения различных схем модуляции в зависимости от изменения параметров канала связи.
Традиционный способ многочастотной передачи
Выигрыш в частотной полосе 30 - 50% "
f, МГц
Рис. 1. Сравнение частотной эффективности OFDM и стандартного способа распределения частотного ресурса
Однако наряду с достоинствами, системам связи с OFDM присущи ряд недостатков, ограничивающих их применение в системах спутниковой связи. Одним из существенных недостатков систем связи с OFDM является высокий пик-фактор, не позволяющий в полной мере реализовывать усилительные свойства усилителя мощности (УМ) ввиду необходимости ис-
94
е>
пользования линейного участка передаточной характеристики усилителя (рис. 2) для снижения искажений сигнала. Кроме того, перевод рабочей точки усилителя мощности на линейный участок приводит к увеличению потребляемой от источника питания мощности.
Анализ ряда работ зарубежных авторов [5, 6, 7] позволяет сделать вывод, что одним из способов снижения пик-фактора является способ выравнивания амплитуды огибающей сигнала OFDM путем ее дополнительной частотной или фазовой модуляции. Полученный в результате такого преобразования сигнал получил название CE-OFDM (Constant Envelope-OFDM).
В частности, в [7], описан процесс формирования и обработки сигнала CE-OFDM и исследованы его основные характеристики, в [5] была исследована зависимость между помехоустойчивостью и индексом модуляции сигнала CE-OFDM.
мощность
Рис. 2. Передаточная характеристика типового УМ.
Принцип формирования и обработки сигнала в системы связи с CE-OFDM (рис. 3) [5], заключается в модуляции частотных несущих поступающим от источника информации потоком двоичных данных b (t). Полученная последовательность модулированных информационных символов Ii k далее поступает в модулятор OFDM, который обеспечивает ортогональное объединение модулированных несущих в единый сигнал OFDM, что аналитически описывается выражением:
m(t) = ZiJ%=1Iijeqi(t-iTBl (1)
где N - количество поднесущих; - информационные символы данных; {qi} - ортогональные поднесущие; Тв - период блока.
Источник информации
b(t)
Модулятор (PAM, QAM, PSK)
OFDM модулятор
m(t)
Фазовый или частотный модулятор
s(t)
Канал с АБГШ
Получатель информации
b*(t)
Демодулятор (PAM, QAM, PSK)
I*
OFDM демодулятор
m*(t)
Фазовый или
частотный демодулятор
s(t)+n(t)
Рис. 3. Обобщённая структурная схема имитационной модели спутникового канала связи,
использующего сигнал CE-OFDM
На последнем этапе в модуляторе угловой модуляции (частотном или фазовом), осуществляется преобразование сигнала OFDM в CE-OFDM. Информационным параметром является мгновенное значение амплитуды сигнала OFDM, которое преобразуется в соответствующее мгновенное значение фазы.
В приемном тракте с сигналом осуществляются обратные преобразования.
Аналитически сигнал CE-OFDM можно описать выражением [5]:
s (t ) = AeJp(t), (2)
где А - амплитуда сигнала, p(t) - фазовый сигнал i - го блока, который может быть определен из выражения:
i,k
k
p(t) = вг + 2nhCN Е 1гЛЧг (t - iTB ),iTB < t <(i + \)TB, (3)
k=1
где h - индекс модуляции, множитель 2 ж является нормирующим коэффициентом для индекса модуляции, См - нормировочная константа. Она нормализует дисперсию модулированных под-несущих, сравнивая их с символом OFDM и может быть определена как:
CN =
i
2
NaT
(4)
где a J - дисперсия символов данных:
a
M 2 -1
3
что
точки
сигнального созвездия и k,
равновероятные,
(5)
т.е.
Предполагая
P(¡jk = l) = ■— l = ±1, ±3, ±(M — 1), для всех i и k, следовательно, дисперсия фазового
v ,k ' M'
сигнала равна:
аФ = EWB )lB ) — Ъ ] dt} = (2*hY
(6)
которая является только функцией индекса модуляции. Энергия сигнала СЕ-0РВМ:
(I+1)ТВ
Е8 = | ^(г )|2 йг = А2ТВ,
1ТВ
и энергия на бит:
Eb =■
E
S
A2Tb
(7)
(8)
Nlog2M Nlog2M
В [1] приведена формула для расчета вероятности ошибки для модуляции типа M-PAM. Так, при индексе модуляции 2nh = 1, помехоустойчивость сигналов M-PAM- CE-OFDM и M-PAM равны.
SER
BER
PAM
log2 M
M — 1
б
2жИ
6log2 M Eb
M¿
N0
(9)
M log2 M
Рассмотренный в [5] подход к вычислению помехоустойчивости различных видов модуляции позволяет получить выражения для помехоустойчивости сигнала CE-OFDM, при применении для модуляции ортогональных несущих модуляцию вида QAM и PSK.
(
berqam
SER log2 M
1 —
1
Л
4M
log2*JM
(
Q
2жИа
|6log2VM Eb
Л
M — 1 N
0
BERpsk - Q
2жИ
2Eb
N
0
(10)
(11)
На основе структурной схемы (рис. 3) с использованием выражений (1)-(11) авторами в среде имитационного моделирования Маг1аЬ [8, 9] была разработана модель системы связи с СЕ-0РРМ, и проведено исследование ее основных свойств с целью уточнения возможности применения данного сигнала в системах спутниковой связи.
Разработанная имитационная модель позволила оценить помехоустойчивость сигнала СЕ-0РРМ с модуляцией поднесущих типа ФМ-4 и КАМ-16, в сравнении с обычными видами модуляции типа ФМ-4 и КАМ-16. Результаты моделирования представлены на рис. 4, 5.
Особенностью, разработанной авторами, имитационной модели является возможность изменения индекса модуляции сигнала СЕ-0¥ВМ и наглядное наблюдение за полученным результатом.
Так на представленных на рис. 4 и 5 видно, что наихудшая помехоустойчивость сигнала СЕ-0¥ВМ будет при индексе модуляции 2лй=0,1 и будет улучшаться при его увеличении, достигая соизмеримого значения помехоустойчивости с модуляцией ФМ-4 и КАМ-16 при 2яй=1,0.
Eb/No, дБ
Рис.4. Аналитическое моделирование помехоустойчивости сигнала CE-OFDM, cразличными значениями индекса модуляции 2n*h и теоретической помехоустойчивости
сигнала ФМ-4
Рис.5. Аналитическое моделирование помехоустойчивости сигнала CE-OFDM, cразличными значениями индекса модуляции 2n*h и теоретической помехоустойчивости
сигнала QAM-16
При дальнейшем увеличении индекса модуляции помехоустойчивость сигнала CE-OFDM, продолжит увеличиваться и начнет по данному показателю превосходить ФМ-4 и КАМ-16.
Однако рост помехоустойчивости продолжается только до значений индекса модуляции равного 2nh=1,2 для ФМ-4 и 2nh=1,5 для КАМ-16.
Заключение. В статье авторами представлен способ разработки имитационной модели системы связи, использующей сигнал с ортогональным мультиплексированием частотных несущих и постоянной огибающей (CE-OFDM) и позволяющей в режиме реального времени проводить исследование основных характеристик данного сигнала [10, 11].
Особенностью разработанной модели является возможность оценки помехоустойчивости сигнала CE-OFDM при изменении значения индекса модуляции для заданного вида модуляции поднесущей OFDM, что позволяется добиться оптимизации параметров радиопередающего и радиоприемного устройств.
Направлением дальнейшей работы является переход от имитационной модели к натурному программированию ПЛИС, поскольку в Matlab обладает заложенной в него функцией генерации кода для ПЛИС, что дает возможность апробировать разработанные технические предложения на макете реального устройства.
Список литературы
1. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер.с англ. М.: Издательский дом "Вильямс", 2003. 1104 с.
2. IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks - Specific requirements, IEEE Standard 802.11, 2012.
3. IEEE Standard for WirelessMAN-Advanced Air Interface for Broadband Wireless Access Systems, IEEE Standard 802.16.1, 2012.
4. IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks - Specific requirements, IEEE Standard 802.11, 2012.
5. Thompson S.C. Constant envelope OFDM phase modulation // University of California, San Diego, 2005.
6. Wang L., Tellambura C. An Overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for OFDM systems // Signal Processing and Information Technology, 2006 IEEE International Symposium on, Aug. 2006. P. 840-845.
7. Thompson S.C., Ahmed A.U., Proakis J.G. et al. Constant envelope OFDM // IEEE transactions on communications, vol.56, no.8, 2008.
8. Дьяконов В. П. MATLAB 6/6.1/6. 5+ Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН Пресс, 2002. 768 с.
9. Дьяконов В.П. MATLAB 6. 5 SP1/7. 0+ Simulink 5/6. Обрaботкa сш^дов и проек-тировaние фильтров. М.: СОЛОН Пресс, 2005. 576 с.
10.Программа для ЭВМ. Программа для исследования помехоустойчивости сигналов ортогонального частотного мультиплексирования с постоянной огибающей. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2022610008. Зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ 10 января 2022 г.
11.Программа для ЭВМ. Программа для исследования помехоустойчивости сигналов с различными видами модуляции при их передаче через спутниковый транспондер с прямой ретрансляцией сигналов. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2022610079. Зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ 10 января 2022 г.
Дубровин Александр Георгиевич, канд. тех. наук, i-solodkov1987@yandex.ru, Россия, Орел, Академия ФСО России,
Солодков Иван Николаевич, сотрудник, i-solodkov198 7@yandex. ru, Россия, Орел, Академия ФСО России,
Андросов Алексей Юрьевич, канд. тех. наук, i-solodkov1987@yandex.ru, Россия, Орел, Академия ФСО России
THE SIMULATION MODEL OF THE SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM
WITH CE-OFDM SIGNAL
A.G. Dubrovin, I.N. Solodkov, A.Yu. Androsov
In this article describes the process of developing a satellite communication system uses CE-OFDM signal. Is considered the stages of the formation and processing of the CE-OFDM signal and making for comparative noise immunity for any value of the modulation indexes.
Key words: satellite communication system, CE-OFDM, modulation index, simulation modeling in Matlab.
Dubrovin Alexander Georgievich, candidate of technical sciences, i-solodkov1987@yandex.ru, Russia, Orel, Academy of FSO of Russia,
98
Solodkov Ivan Nikolaevich, employee, i-solodkov1987@yandex.ru, Russia, Orel, Academy of the FSO of Russia,
Androsov Alexey Yurevich, candidate of technical sciences, i-solodkov1987@yandex.ru, Russia, Orel, Academy of FSO of Russia
УДК 007.51; 658.52.011.56
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-99-103
НЕКОТОРЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЛИКА ТРЕНАЖЕРНЫХ И МОДЕЛИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ СПЕЦИАЛИСТОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
О.Н. Акиншин, Е.В. Мамонтов, А.И. Ковинько, К.А. Хомяков
В статье рассмотрены вопросы, связанные с обоснование технического облика перспективных тренажерных и моделирующих комплексов специалистов управления воздушным движением. Определены некоторые направления совершенствования технического облика технических средств подготовки должностных лиц группы руководства полетами с учетом условий их деятельности. Предпринята попытка обобщить имеющийся опыт и теоретические основы разработки тренажерных и моделирующих комплексов подготовки авиационных диспетчеров.
Ключевые слова: технический облик, тренажерный, моделирующий комплекс, специалист управления воздушным движением.
При обосновании технического облика перспективного тренажерного и моделирующего комплекса внешние программно-имитационные воздействия использовались в качестве входных для программно-воспроизведенного алгоритма работы типовой системы управления воздушным движением (УВД). Следует отметить, что структурное сходство запрограммированной модели с реальной системой УВД, позволяет использовать ее совместно с реальной аппаратурой на этапе обоснования и разработки технического облика.
В модель помимо, имитации движения воздушных судов (ВС), моделей радиолокационных станций и аэродромов, могут быть включены реальные индикаторные устройства и органы управления [1]. В связи с этим, комплекс позволит не только разрабатывать, но и проводить исследования в широком диапазоне изменения условий деятельности специалистов УВД, а также осуществлять оптимизацию структуры, состава и характеристик моделируемой перспективной системы.
В рамках проведенных исследований типовая модель строилась на основе анализа существующих и перспективных систем УВД наземных и корабельных пунктов управления авиацией.
На первом этапе моделирования допускались разумные ограничения. В дальнейшем, на основе статистических экспериментов осуществлялась оценка характеристик, уточнение модели.
Таким образом был организован замкнутый цикл моделирования, в процессе которого достигался компромисс между суммарными затратами на моделирование и затратами на корректировку модели.
В конечном итоге был обоснован комплекс технических средств и специальное программное обеспечение (СПО), которое предполагается позволит формировать совокупность качеств, определяющих готовность специалистов УВД выполнять возложенные на них функции в широком диапазоне условий их деятельности [2].
При разработке технических решений, направленных на развитие тренажерных и моделирующих комплексов (ТМК), главной целью было создание ряда технических средств, обеспечивающего полную реализацию модели каждой категории специалистов УВД и логическую последовательность их подготовки. При этом было стремление к разумному компромиссу между точностью воспроизведения и сложностью необходимых для этого средств, то есть для обоснования облика проводилась аппроксимация функции описания более простой функцией моделью.
