CC BY
18
DOI 10.25987/^ТО.2019Л5.2.015 УДК 621.3.049.77
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ НЕОБХОДИМОЙ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В РАДИОПЕРЕДАЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ
И.В. Свиридова, И.В. Остроумов, И.С. Анисимов, И.А. Сафонов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмoтрены особенности разработки методики оценки необходимой ширины полосы частот (НШПЧ) фазоманипулированных сигналов в радиопередающем устройстве, а именно: установление параметров модели, исключающих искажение сигнала полосовыми фильтрами (эталонная линия); определение минимального уровня сигнала на входе приемника, обеспечивающего передачу информации с заданным качеством для эталонной линии; уменьшение полосы пропускания фильтров передатчика и приемника для соответствующего необходимого превышения уровня сигнала на входе приемника по сравнению с эталонной линией, обеспечивающего передачу с обозначенными энергетическими потерями; энергетические потери в алгоритме. Разработанная методика оценки позволяет определить вероятность сбоя символа в принятой информационной последовательности при заданных параметрах манипуляции сигнала (виде манипуляции, длительности и параметрах огибающей элементарной посылки), полосе частот сигнала, уровне сигнала на входе приемника и опорном уровне в решающем устройстве. Предлагается блок-схема процедуры вычисления коэффициента энергетических потерь с помощью программной реализации, имитирующей систему связи фазоманипулированными сигналами. Рассмотренная тема особенно актуальна, если учитывать, что фазоманипулированные сигналы имеют очень широкую сферу применения, увеличивается количество эксплуатируемых телекоммуникационных систем, использующих новые технологии для передачи данных
Ключевые слова: необходимая ширина полосы частот (НШПЧ), минимальный уровень сигнала, эталонная линия, энергетические потери в алгоритме
Увеличение количества вводимых в эксплуатацию систем передачи информации обостряет проблему использования I имеющихся радиодиапазонов. В связи с этим особенно актуальным становится применение радиопередающих устройств, использующих фазоманипулированные сигналы для передачи данных. Здесь возникает потребность в обладании методами оценки необходимой ширины полосы частот фазоманипулированного сигнала. Один из способов решения этой проблемы заключается в новой методике определения необходимой ширины полосы частот, основанной на использовании модели, имитирующей систему связи, с управляемыми по ширине полосы пропускания фильтрами на приемной и передающей стороне. Значение НШПЧ в методике определяется на основе разработанного критерия, позволяющего с единых позиций задавать ее нормируемые значения для двух и четырехпозиционных фазо-манипулированных сигналов с различными формами огибающей элементарной посылки, используемых в системах связи.
Введение
Принятое в Регламенте определение НШПЧ не исключает неоднозначность подхода к оценке ее численного значения. Естественно, что различные подходы могут привести к различным численным значениям НШПЧ, и результирующее стандартизируемое значение НШПЧ может быть получено на основе анализа результатов подобных оценок. Поэтому различные подходы к оценке численного значения НШПЧ, не противоречащие ее определению, имеют право на существование.
Методика определения НШПЧ
© Свиридова И.В., Остроумов И.В., Анисимов И.С., Сафонов И.А., 2019
Применительно к системам связи фазо-манипулированными сигналами возможен следующий подход к оценке НШПЧ: достаточно большое значение ширины полосы излучения обеспечивает требуемые скорость и качество передачи информации, но приведет к неэффективному использованию радиочастотного спектра; уменьшение ширины полосы может привести при заданной скорости передачи к снижению качества передачи за счет межсимвольных искажений; это снижение качества можно компенсировать повышением уровня сигнала на входе приемника. НШПЧ определяется как минимальная ширина полосы излучения, при которой компенсирующее по-
вышение уровня сигнала на входе приемника не превышает заданного значения.
Для реализации такого подхода и была разработана методика оценки НШПЧ фазома-нипулированных сигналов. Модель, являющаяся основой методики, позволяет определить вероятность сбоя символа в принятой информационной последовательности при заданных параметрах манипуляции сигнала (виде манипуляции, длительности и параметрах огибающей элементарной посылки), полосе частот сигнала, уровне сигнала на входе приемника и опорном уровне в решающем устройстве. Число сбоев символов определяется сравнением «передаваемой» и «принятой» информационной последовательности с учетом неправильно принятых и «потерянных» символов.
Алгоритм определения НШПЧ с помощью модели следующий:
- устанавливаются параметры модели, исключающие искажение сигнала полосовыми фильтрами (эталонная линия);
- определяется минимальный уровень сигнала на входе приемника, обеспечивающий передачу информации с заданным качеством для эталонной линии;
- уменьшая полосу пропускания фильтров передатчика и приемника, определяется соответствующее необходимое превышение уровня сигнала на входе приемника по сравнению с эталонной линией, обеспечивающее передачу информации с заданным качеством (энергетические потери).
Энергетические потери в алгоритме определяются через значение коэффициента энергетических потерь КЭП, выражаемого в децибелах и вычисляемого с использованием следующего отношения:
Кзп=20^(иэТ/иф)+10^^ф^эТ), (1)
где иЭТ - минимальный уровень отклика на не искаженный полосовой фильтрацией полезный сигнал на входе решающего устройства приемника;
QЭТ - среднеквадратичное значение амплитуды (мощность) сигнала на входе модели приемника без учета искажений полосовой фильтрацией;
иФ - минимальный уровень отклика на полезный сигнал на входе решающего устройства приемника с учетом искажений полосовой фильтрацией;
QФ - среднеквадратичное значение (мощность) амплитуды сигнала, искаженного полосовым фильтром передатчика.
НШПЧ оценивалась как такая полоса пропускания фильтров, при которой получаемое значение КЭП не превышает заданного допустимого уровня.
Для бинарных и четырехпозиционных фа-зоманипулированных сигналов в качестве допустимого уровня КЭП может быть использовано значение 6 дБ, что соответствует изменению амплитуды отклика примерно в два раза. Такое значение еще позволяет компенсировать искажения полезного сигнала увеличением мощности. Дальнейшее уменьшение полосы пропускания фильтров, как можно видеть из результатов, представленных в таблице, приводит к существенному росту КЭП до значений в десятки децибел, а уменьшение еще на 5-10% к появлению сбоев (неправильно принятых символов), вызванных искажениями сигнала полосовой фильтрацией.
ФМн-2 порядок фильтров 3 и 9 со сглаживанием скачков
Полоса
0. 1. 1 1. 1 1 1. 1 1.
пропускания 1 2 3 4 5 б
У 1 з 4 Л ь 7 X
фильтров.МП]
26 9. 4. 4. 4. 3. 3. 2. 2. 1. 1. 0. 0. 0. 0.
Кт
,1 а 8 7 4 8 1 5 1 7 2 84 37 35 14
Для сложных сигналов рассмотрение значения НШПЧ, отличного от значения НШПЧ для простых фазоманипулированных сигналов, нецелесообразно, поскольку такие сигналы изначально являются широкополосными. Избыточность полосы частот для передачи информации с заданной скоростью, обеспечивает преимущества таких сигналов: повышенную помехозащищенность, скрытность, возможность кодового разделения каналов. Для сложных фазоманипулированных сигналов значение НШПЧ принимается равной значению, соответствующему фазоманипулированному сигналу, лежащему в основе сложного.
Процедура определения НШПЧ может быть представлена как решение оптимизационной задачи следующего вида:
| ^ППФ ^ тш
[КЭП (Д/^ф )< К
доп ЭП
То есть требуется найти минимальное
значение полосы пропускания фильтров Д^ппф в модели системы приема и передачи инфор-
кдоп
мации при ограничении значением ЭП значения получаемого коэффициента энергетиче-к
ских потерь ЭП [дБ], который рассматривается как функция от АРПпф при фиксированных остальных параметрах модели.
к АР
Поскольку зависимость ЭП от ППф
носит монотонный характер, решение задачи
(2) является решением следующего уравнения:
кэп (а^ппф )- кэп = 0.
(3)
Для поиска решения этого уравнения, в предположении непрерывности функции
кш (дршф), используется метод золотого сечения. При этом рассматривается последовательность уменьшающихся отрезков, на границах которых функция левой части уравнения (3) принимает разные знаки. Если на ьм
(д/тт д/.^) этапе получен отрезок V ' -м /, то он
разбивается на два отрезка в точке А/г+1, которая определяется по соотношению:
д/г^д/г1™+0.63/- -д/™ ).
(4)
Из полученных двух отрезков для дальнейшего поиска решения выбирается тот, у которого значение функции, соответствующей левой части уравнения (3), на концах принимает разные знаки, что гарантирует наличие хотя бы одного решения данного уравнения на этом отрезке. Процесс деления отрезков прекращается, когда длина очередного отрезка не превышает заданной величины.
Для сокращения времени расчетов на начальных этапах поиска при моделировании прохождения случайного информационного сигнала используются небольшие по длине последовательности символов (100-200 символов) и, соответственно, малое количество точек цифрового представления сигнала для БПФ (215-216). Далее полученное приближен-АР
ное значение ППФ уточняется и подтверждается расчетами на большой информационной последовательности с высоким разрешением представления элементарной посылки. Например, при заданной допустимой вероятности сбоя символа 10-3 для достижения довери-
тельной вероятности 99% рассматриваются последовательности, длиной не менее чем 105 случайных символов.
На рис. 1 представлена укрупненная блок-схема процедуры вычисления коэффициента
к
энергетических потерь ЭП с помощью программной реализации, имитирующей систему связи фазоманипулированными сигналами.
Начало (:залани^ пар яиетр ое но депир оьзши)
Бл. 1
Бл. 2
Подготовка вычислений дли эталонной линии
I
Моделирование прохождения сигнала
по зтало иной линии пер едач и _информации_
Бл. 3
I
Подготовка вычислений дли искажающей линии
Бл. 4
г
Моделирование прохождения сигнала с искажениями фильтрацией полосовыми _фильтрами_
Бл. 5
Вычисление Аэп по соотношению (3.1)
Вывод
результатов
3
Рис. 1. Укрупненная блок-схема процедуры вычисления коэффициента энергетических потерь
В блоке 1 осуществляется начальное присваивание вспомогательным переменным задачи и формирование массивов, содержащих спектральный образ согласованного фильтра приемника.
В блоке 2 в соответствии с алгоритмом метода перекрытия при сложении осуществляется генерация и фильтрация через согласованный фильтр исследуемого сигнала по «порциям». Здесь не учитываются полосовые фильтры передатчика и приемника. В ходе моделирования прохождения сигнала определяется минимальный уровень отклика на полезный сигнал, не искаженный полосовой фильтрацией, на входе решающего устройства приемника UЭТ и среднеквадратичное значение амплитуды сигнала (мощность) на входе модели приемника QЭТ.
В блоке 3 присваиваются начальные значения вспомогательным переменным задачи и формируются массивы, содержащие спек-
тральный образ полосового фильтра передатчика и образ обобщенного фильтра, объединяющего полосовой и согласованный фильтры приемника. В качестве полосовых фильтров используются фильтры Баттерворта максимального из доступных в программной реализации модели порядка.
В блоке 4, как и в блоке 2, осуществляется моделирование прохождения по «порциям» исследуемого сигнала в соответствии с алгоритмом метода перекрытия при сложении, однако здесь учитываются полосовые фильтры передатчика и приемника. Также здесь определяется минимальный уровень отклика на полезный сигнал на входе решающего устройства приемника с учетом искажений полосовой фильтрацией иФ и среднеквадратичное значение амплитуды (мощность) сигнала, искаженного полосовым фильтром передатчика, QФ.
В блоке 5 определяется значение коэффициента энергетических потерь для исследуемого сигнала при данной ширине полосы пропускания полосовых фильтров как сумма выраженного в децибелах отношения значений уровней отклика искаженного и неискаженного сигналов 20^(ГОТ/иФ) и поправки на разницу среднеквадратичных значений (мощностей) 10^Ф^ЭТ).
Определенный таким образом коэффициент энергетических потерь и будет равен величине, на которую необходимо увеличить мощность сигнала, чтобы компенсировать снижение уровня отклика на входе решающего устройства из-за искажений, вызванных полосовыми фильтрами с заданной шириной полосы пропускания.
На рис. 2 приведен пример отображения программой результатов расчетов коэффициента энергетических потерь, вычисляемого в ходе определения НШПЧ На рис. 3, в свою очередь, приведен пример отображения программой гистограммы откликов помехи при вычислении коэффициента энергетических потерь, вычисляемого в ходе определения НШПЧ. Как видно из рисунков, в качестве результатов программа отображает графики сигналов, искаженных и неискаженных фильтрующими элементами, нормированные на максимальное значение, получаемую гистограмму значений откликов в момент снятия отсчетов в решающем устройстве и значение коэффициента энергетических потерь при заданных параметрах моделирования.
Рис. 2. Результат вычисления коэффициента энергетических потерь для определения НШПЧ сигнала СФМн-4
МС943
0.0001 (МЛ 1 10 Гистограмма опалинов- помеии
Рис. 3. Гистограмма откликов помехи при вычислении коэффициента энергетических потерь для определения НШПЧ сигнала СФМн-4
Таким образом, разработанная методика определения НШПЧ для фазоманипулирован-ных сигналов, основанная на программной реализации модели системы связи, позволяет с единых позиций, соответствующих представленному в Регламенте радиосвязи определению НШПЧ, нормировать этот параметр для двух- и четырехпозиционных фазоманипулированных сигналов с различными формами огибающей элементарной посылки, а также сигналов ММС, используемых в системах связи.
Заключение
В этой статье были рассмотрены особенности разработки методики оценки необходимой ширины полосы частот (НШПЧ) фазома-нипулированных сигналов в радиопередающем устройстве.
Методика включает в себя установление параметров модели, исключающих искажение сигнала полосовыми фильтрами (эталонная линия); определение минимального уровня сигнала на входе приемника, обеспечивающего передачу информации с заданным качеством для эталонной линии; уменьшение полосы пропускания фильтров передатчика и приемника,
определяющих соответствующее необходимое превышение уровня сигнала на входе приемника по сравнению с эталонной линией, обеспечивающее передачу информации с заданным качеством (энергетические потери).
Энергетические потери в алгоритме определяются через значение коэффициента энергетических потерь КЭП. Корректный учет свойств используемого математического аппарата в программных реализациях разработанных моделей дает возможность рассматривать простые и сложные (со значением базы до 2103) фазоманипулированные сигналы практически неограниченной длительности с разрешением, достаточным для адекватной аппроксимации межфазовых переходов и различных форм огибающей элементарной посылки, смещения по частоте, а также учета искажения формы сигнала в различных элементах радиопередающих и радиоприемных устройств.
Для сложных сигналов рассмотрение значения НШПЧ, отличного от значения НШПЧ для простых фазоманипулированных сигналов, нецелесообразно, поскольку такие сигналы изначально являются широкополосными. Избыточность полосы частот для передачи информации с заданной скоростью обеспечивает преимущества таких сигналов: повышенную помехозащищенность, скрытность, возможность кодового разделения каналов.
Литература
1.Кремер И.Я., Владимиров В.И., Карпухин В.И. Модулирующие (мультипликативные) помехи и приём радиосигналов. М.: Сов. Радио, 1972.
2. Гольдберг Б.С., Коновалов Г.В. Необходимая ширина полосы излучения радиосистемы с ФМ (ФРМ) сигналами // Радиотехника. 1977. Т. 32. №5. С. 7-13.
3. Турбокодирование как основа в системах передачи данных / А.В. Ситников, А.В. Башкиров, И.В. Остроумов, П.В. Иевлев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 6.3. С. 7-9.
4. Остроумов И.В., Ромащенко М.А. Исследование поведения радиопомех в системах передачи дискретной информации // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2015. Т. 11. № 3. С. 102104.
5. Катушкина В.М. О зависимости сдвига фазы от величины выходного сигнала в пролётном клистроне // Электроника СВЧ. 1968. Вып.3.
6. Остроумов И.В., Ромащенко М.А. Особенности решения задач ЭМС для систем с фазоманипулированными сигналами // Системные проблемы надежности, качества, компьютерного моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2014): материалы междунар. конф., рос. науч. школы и форума. М., 2014. С. 99 - 101
7. Способы формирования OFDM - сигнала / И.В. Остроумов, А.В. Ситников, И.В. Свиридова, А.В. Муратов // Радиотехника. 2014. №6. С. 67 - 69.
8. Остроумов И.В., Ромащенко М.А. Комплексная модель системы передачи дискретной информации фазоманипулированными сигналами и её программная реализация // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. Пенза: ПГУ, 2015. Т. 1. С. 141 - 144.
9. Журавлев Д.В. Основы радиоэлектроники и связи: учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010. 227 с.
10. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами / Пер. с англ. под ред. Б.Ф. Файзулаева. М.: Мир, 1990.
11. Вайштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне флуктуационных помех. М.: Сов. Радио, 1969.
12. Терентьев Б.П., Калягин Л.Е., Штейн Б.Б. Радиопередающие устройства / под ред. Б.П. Терентьева. М.: Связьиздат, 1963. 711 с.
13. Бойко О.В., Журавлев Д.В., Сафонов И.А. Система мониторинга подвижной радиосвязи 2G-4G сетей // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 4. С. 117-121.
Поступила 21.02.2019; принята к публикации 20.03.2019 Информация об авторах
Свиридова Ирина Владимировна - старший преподаватель, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: ri-ss-ka@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5279-0807
Остроумов Иван Владимирович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: vanik07@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003-27962886
Анисимов Иван Сергеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: pilot7mig@yandex.ru, ORCID: https: //orcid.org/0000-0002-0681-1299 Сафонов Иван Александрович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: saff@inbox.ru, ORCID: https://orcid.org/ 0000-0003-3825-4770
DEVELOPMENT OF THE METHODOLOGY FOR ESTIMATING THE NECESSARY BANDWIDTH OF PHASE-SHIFT KEYED SIGNALS IN A RADIO TRANSMITTING DEVICE
I.V. Sviridova, I.V. Ostroumov, I.S. Anisimov, I.A. Safonov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the features of the development of a method for estimating the necessary bandwidth of phase-shift keyed signals in a radio transmitting device are considered, namely: the establishment of model parameters that exclude signal distortion by band-pass filters (reference line); determination of the minimum signal level at the receiver input, ensuring the transmission of information with a given quality for the reference line; reducing the bandwidth of the filters of the transmitter and receiver, for the corresponding necessary excess of the signal level at the receiver input compared to the reference line, providing transmission with the indicated energy loss; energy loss in the algorithm. The developed estimation method makes it possible to determine the probability of a symbol failure in the received information sequence for given signal manipulation parameters (type of manipulation, duration and elementary parcel envelope parameters), signal frequency band, signal level at the receiver input and reference level in the resolver. A flowchart of the procedure for calculating the energy loss coefficient using a software implementation that simulates a phase-shift keyed signal communication system is proposed. This topic is particularly relevant, given that phase-shift keyed signals have a very wide scope of application, and the number of telecommunication systems in use increases, using new technologies for data transmission
Key words: necessary bandwidth (NBW), minimum signal level, reference line, energy loss in an algorithm
References
1. Kremer I.Ya., Vladimirov V.I., Karpukhin V.I. "Modulating (multiplicative) interference and radio reception" ("Moduliru-yushchie (mul'tiplikativnye) pomekhi i priyom radiosignalov"), Moscow, Sov. Radio, 1972.
2. Goldberg B.S., Konovalov G.V. "Required emission bandwidth of a radio system with FM (FRM) signals", Radio Engineering (Radiotekhnika), 1977, vol. 32, no. 5, pp. 7-13.
3. Ostroumov I.V., Sitnikov A.V., Bashkirov A.V., Ievlev P.V. "Turbo encoding as a basis in data transmission systems", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2013, vol. 9, no. 6.3, pp. 7-9.
4. Ostroumov I.V., Romashchenko M.A. "Investigation of radio interference behavior in discrete information transmission systems", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2015, vol. 11, no. 3, pp. 102-104.
5. Katushkina V.M. "On the dependence of the phase shift on the size of the output signal in the transit klystron", Microwave Electronics (Elektronika SVCH), 1968, issue 3.
6. Ostroumov I.V., Romashchenko M.A. "Features of EMC problem solving for systems with phase-manipulated signals", Proc. of The Intern. Conf., Russian Scientific School and Forum: System Problems Of Reliability, Quality, Computer Modeling, Information and Electronic Technologies in Innovative Projects (INNOVATIKA - 2014) (Sistemnye problemy nadezhnosti, kachestva, komp'yuternogo modelirovaniya, informatsionnykh i elektronnykh tekhnologiy v innovatsionnykhproektakh (INNOVATIKA - 2014): materialy mezhdunar. konf., ros. nauch. shkoly i foruma), Moscow, 2014, pp. 99-101
7. Ostroumov I.V., Sitnikov A.V., Sviridov I.V., Muratov A.V. "Methods of forming the OFDM signal", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2014, no. 6, pp. 67-69.
8. Ostroumov I.V., Romashchenko M.A. "Complex model of a discrete information transmission system with phase-shift keyed signals and its software implementation", Proc. of International Symposium: Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoziuma), Penza, PSU, 2015, vol. 1, pp. 141-144.
9. Zhuravlev D.V. "Fundamentals of radio electronics and communication: textbook" ("Osnovy radioelektroniki i svyazi: ucheb. posobie"), Voronezh State Technical University, Voronezh, 2010, 227 p.
10. Barnes J., ed. Fayzulaev B.F. "Electronic design: methods of dealing with interference", trans. from English, Moscow, Mir,
1990.
11. Weinstein L.A., Zubakov V.D. "Isolation of signals against the background of fluctuation interference", Moscow, Sov. Radio, 1969.
12. Terent'ev B.P., Kalyagin L.E., Stein B.B. "Radio transmitting devices", Moscow, Svyaz'izdat, 1963, 711 p.
13. Zhuravlev D.V., Boyko O.V., Safonov I.A. "System of mobile radio monitoring of 2G-4G networks", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 4, pp. 117-121.
Submitted 21.02.2019; revised 20.03.2019 Information about the authors
Irina V. Sviridova, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: ri-ss-ka@mail.ru
Ivan V. Ostroumov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: vanik07@mail.ru
Ivan S. Anisimov, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: pilot7mig@yandex.ru
Ivan A. Safonov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Vo-ronezh, 394026, Russia), e-mail: saff@inbox.ru
