CC BY
37
УДК 654.16
М. В. Рушко
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПО ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ЦИФРОВОГО КАНАЛА СВЯЗИ МОРСКОЙ ПОДВИЖНОЙ СПУТНИКОВОЙ СЛУЖБЫ
Представлены результаты исследования, в ходе которого были собраны лабораторные установки с целью измерения вероятности приема ошибочных бит для радиосигналов BPSK, QPSK, 8PSK, DBPSK, QAM-4,8,16,64 для различных отношений сигнал/шум в среде моделирования MATLAB + Simulink.
Результаты исследований и созданная виртуальная лабораторная установка нашли применение при сравнительной оценке помехоустойчивости канала радиосвязи с использованием стандартных и перспективных запатентованных систем передачи информации в рамках морской подвижной спутниковой службы при приеме радиосигналов с различными видами модуляции.
The paper presents the results of a study in which laboratory facilities were assembled to measure the probability of receiving erroneous bits for BPSK, QPSK, 8PSK, DBPSK, QAM-4,8,16,64 radio signals for various SNRs in the MATLAB + Simulink simulation environment.
The research results and the developed virtual laboratory setup have found application in a comparative assessment of the noise immunity of a radio channel using standard and advanced patented information transmission systems within the marine mobile satellite service when receiving radio signals with various types of shift keying.
Ключевые слова: фазовая модуляция, квадратурная амплитудная модуляция, сигнальное созвездие, помехоустойчивость, радиосигнал, ОСШ.
Keywords: phase shift keying, quadrature amplitude shift keying, signal constellation, noise stability, radio signal, SNR.
На сегодняшний день сигналы с фазовой и квадратурной амплитудной модуляциями широко применяются в системах морской подвижной спутниковой службы (МПСС) [1; 3 — 5] и наборе стандартов Wi-Fi и цифрового телевизионного вещания DVB, представленных в таблице.
Типы сигналов PSK и QAM, применяемые в МПСС и телевизионном вещании
47
Система передачи информации/стандарта Модуляции
DVB-S QPSK, 8-PSK, QAM-16
DVB-S2 QPSK, 8-PSK, 16-APSK или 32-APSK
DVB-SH QPSK, 8-PSK, 16-APSK
DVB-C QAM-16, QAM-32, QAM-64, QAM-128 или QAM-256
DVB-C2 QPSK, QAM-16, QAM-64, QAM-256, QAM-1024, QAM-4096
DVB-T QAM-16 или QAM-64 (или QPSK) совместно с COFDM
DVB-T2 QPSK, QAM-16, QAM-64, QAM-256 совместно с OFDM
© Рушко М. В., 2019
Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Физико-математические и технические науки. 2019. № 2. С. 47 - 55.
Окончание табл.
48
Система передачи информации/стандарта Модуляции
DVB-H OFDM
Inmarsat QPSK, BPSK, QAM-16
MS AT QPSK
Globalstar QPSK
Iridium QPSK, DBPSK
Глонасс BPSK
GSM BPSK
Thuraya QPSK
Beidou QPSK
Sirius QAM-16
В системах передачи дискретных сообщений принято использовать вероятность коэффициента битовой ошибки BER (Bit Error Rate) в качестве критерия оценки помехоустойчивости системы [5].
Как считает автор статьи, научно-практическая задача проведения сравнительного анализа помехоустойчивости приема сигналов с фазовой и квадратурной амплитудной модуляциями является актуальной по причине все более широкого использования сигналов с этими типами модуляции в современных спутниковых системах. В рамках судовой спутниковой связи ИМО уже одобрила применение системы Iridium и рассматривает китайскую спутниковую систему BeiDou для предоставления услуг ГМССБ. Обе эти системы работают с сигналами фазовой модуляции [2].
Решением представленной задачи является проведение модельных исследований помехоустойчивости приема сигналов с модуляциями PSK (BPSK, QPSK, DBPSK, 8PSK) и QAM на основе положений теории оптимального приема.
Исходные параметры
Во время модельных исследований были проведены измерения вероятности коэффициента битовой ошибки при различных скоростях передачи информации: 400, 800 и 1600 Бод.
Для каждой скорости передачи информации измерения проводились при отношении сигнал / шум (ОСШ), варьирующемся от -15 дБ до 10 дБ. В свою очередь, для каждого ОСШ было проведено 70 — 130 измерений. Известно, что при моделировании процессов демодуляции и модуляции сигнала выбор какого-то определенного значения несущей частоты не имеет значения, поэтому последняя выбиралась из соображений минимального допустимого времени моделирования машины. Для сигналов с фазовой модуляцией в качестве несущей частоты была выбрана частота, равная второй промежуточной частоте типовой судовой аппаратуры 456 кГц; для сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией несущая частота и частота опорных колебаний были выбраны равными 100 кГц при скорости передачи информации 4000 Бод. Получаемый качественный результат при выборе заниженных несу-
щих частот получается таким же, как и при выборе реальных частот, но машинное время моделирования значительно сокращается. Из аналогичных соображений были занижены скорости передачи информации.
В результате проведенных модельных исследований построены графические зависимости вероятности коэффициента битовых ошибок от отношения сигнал / шум. Также на этих же графиках были построены кривые потенциальной помехоустойчивости, чтобы стало возможным провести сравнительный анализ с «эталоном».
Модельные исследования помехоустойчивости помехоустойчивости приема сигналов с модуляциями PSK и QAM проводились в среде MATLAB + Simulink.
Модель шума
При моделировании процессов модуляции и демодуляции необходимо было выбрать модель шума. Выбор пал на аддитивный белый гауссов шум с нулевым математическим ожиданием и регулируемой дисперсией. Модель шума была реализована на основе преобразования Бокса — Мюллера [6] и представлена на XVI и XIX международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь RLNC».
Значения ОСШ, варьирующиеся от -15 дБ до 10 дБ, выбирались исходя из того, чтобы коэффициент вероятности битовой ошибки находился в пределах 0.001 — 2. Это позволяет как оценить динамику изменения коэффициента вероятности BER при изменении отношения сигнал / шум, так и дать оценку критическим значениям ОСШ, при которых можно достичь допустимую вероятность коэффициента битовой ошибки.
49
Алгоритм оценки коэффициента битовых ошибок
Структурная схема виртуальной лабораторной установки по исследованию помехоустойчивости приема радиосигналов с фазовой модуляцией представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема виртуальной лабораторной установки по исследованию помехоустойчивости приема радиосигналов с фазовой модуляцией
Структурная схема виртуальной лабораторной установки для проведения исследований помехоустойчивости приема радиосигналов с квадратурной амплитудной модуляцией представлена на рисунке 2.
50
Рис. 2. Структурная схема виртуальной лабораторной установки по исследованию помехоустойчивости приема радиосигналов с QAM-модуляцией
Структурная схема блока «Измеритель БЕИ» для сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная схема блока «Измеритель БЕИ»
Генераторы модулирующей последовательности для сигналов с модуляцией QAM-8 разнятся в зависимости от формы созвездия (рис. 4).
51
в
г
Рис. 4. Генераторы модулирующей последовательности
для созвездий сигнала с модуляцией ОЛМ-8: а — для прямоугольного созвездия; б — квадратного созвездия; в — крестообразного созвездия; г — ромбовидного созвездия
Результаты моделирования
На следующих графиках (рис. 5 — 8) представлены графические зависимости средних значений коэффициента вероятности ВЕК от отношения сигнал / шум при приеме сигналов с фазовой модуляцией в канале связи. Кривая потенциальной помехоустойчивости, представленная на графических зависимостях для сравнения, рассчитывалась по методике из [7].
*-
Ч
16С и г>о. 1. 800 Бод^
400 Е
N
о
Рис. 5. Зависимость вероятности коэффициента битовой ошибки при приеме ВРБК-радиосигнала от ОСШ в канале связи: по оси абсцисс отложены значения ОСШ в дБ, по оси ординат — средние значения вероятности битовой ошибки в логарифмическом масштабе
52
Рис. 6. Зависимость вероятности коэффициента битовой ошибки при приеме QPSK-радиосигнала от ОСШ в канале связи: по оси абсцисс отложены значения ОСШ в дБ, по оси ординат — средние значения вероятности битовой ошибки в логарифмическом масштабе
Рис. 7. Зависимость вероятности коэффициента битовой ошибки при приеме 8PSK-радиосигнала от ОСШ в канале связи: по оси абсцисс отложены значения ОСШ в дБ, по оси ординат — средние значения вероятности битовой ошибки в логарифмическом масштабе
Рис. 8. Зависимость вероятности коэффициента битовой ошибки при приеме DBPSK-радиосигнала от ОСШ в канале связи: по оси абсцисс отложены значения ОСШ в дБ, по оси ординат — средние значения вероятности битовой ошибки в логарифмическом масштабе
Анализ построенных графических зависимостей коэффициента вероятности битовой ошибки от отношения сигнал / шум для сигналов с модуляцией QAM-4,16,64, представленных на рисунке 9, позволяет заключить следующее:
— коэффициент вероятности битовой ошибки зависит от отношения сигнал / шум нелинейно. Графические зависимости, построенные по результатам модельных исследований, практически повторяют по форме теоретические графики. Разницу можно объяснить недостаточной выборкой данных;
— графическая зависимость коэффициента вероятности ВБИ для сигнала с модуляцией QAM-4 лежит левее теоретической. То есть можно предположить, что результат модельного исследования получается лучше, чем это теоретически возможно, однако этот факт объясняется недостаточностью объема выборки данных и влиянием статистических свойств источника;
— зависимость коэффициента вероятности ВБИ от отношения сигнал / шум для сигнала с модуляцией QAM-64 оказался хуже теоретического. Данный факт также объясняется недостаточной выборкой данных;
— чтобы достичь одинакового значения коэффициента вероятности ВБИ, необходимо большее отношение сигнал / шум при увеличении числа уровней модуляции. При ухудшении отношения сигнал / шум адаптивные системы связи переходят на режим работы с меньшим числом уровней модуляции, по мере улучшения ОСШ происходит обратный переход.
Рис. 9. Графические зависимости вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией: QЛM-4,16,64 (сплошные линии) и теоретические кривые, соответствующие данным сигналам (пунктирные линии)
В результате анализа построенных графических зависимостей для сигналов с модуляцией QAM-8 для различных созвездий стало возможным сделать вывод, что наилучшей помехоустойчивостью обладают квадратное (ВЕК2) и прямоугольное (ВЕК1) созвездия соответственно. Чуть хуже оказываются крестообразное и ромбовидное созвездия.
ВЕШ ВЕЛ2 ВИ13 ВЕ314
1x10
1x10
0.01
Рис. 10. Графические зависимости вероятности коэффициента битовой ошибки от отношения сигнал / шум для различных видов сигнальных созвездий QAM-8 (по оси абсцисс отложены значения отношения сигнал / шум в дБ, по оси ординат — вероятность битовой ошибки): ВЕК1 — для прямоугольного, ВЕК2 — для квадратного, ВЕК3 — для крестообразного, ВЕК4 — ромбовидного сигнальных созвездий
Анализ проведенных модельных исследований помехоустойчивости приема сигналов с фазовой и квадратурной амплитудной модуляциями подтверждает теоретические положения о взаимосвязи коэффициента вероятности BER, отношения сигнал / шум и скорости передачи информации. Построенные графические зависимости для сигналов с фазовой модуляцией показывают, что наилучшей помехоустойчивостью обладает сигнал с BPSK, далее следуют сигналы с QPSK, 8PSK и DBPSK соответственно.
Проведенные модельные исследования также подтверждают адекватность теоретических положений о помехоустойчивости радиосигналов с фазовой и квадратурной амплитудной модуляциями [7; 8]. Результаты исследований нашли применение при сравнительной оценке помехоустойчивости канала радиосвязи с использованием стандартных и перспективных запатентованных систем передачи информации в рамках морской подвижной службы при приеме фазоманипулированных сигналов и сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией.
Список литературы
1. Основные технические характеристики абонентских станций спутниковой связи системы подвижной спутниковой связи ИНМАРСАТ : прилож. № 2 к решению ГКРЧ от 23 авг. 2010 г. № 10-08-08. М., 2010. URL: http://www.minsvyaz. ru/ru/documents/3975/ (дата обращения: 16.04.2019).
2. ИМО одобрил новые сервисы аварийной связи от Inmarsat и Iridium // Телеспутник : [сайт]. 28.05.2018. URL: https://www.telesputnik.ru/materials/ tekhnika-i-tekhnologii/news/mezhdunarodnaya-morskaya-organizatsiya-odobrila-novyy-servis-inmarsat-fleet-safety/ (дата обращения: 19.02.2019).
3. Сигналы с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK). Дифференциальная BPSK (DBPSK) // DISPLIB.org. Теория и практика цифровой обработки сигналов : [сайт]. URL: http://www.dsplib.ru/content/bpsk/bpsk.html (дата обращения: 24.02.2019).
4. Маркелов М. А. Новые сигналы GNSS и перспективы их использования в бортовом оборудовании ГА // Интернавигация. 2008. № 8. URL: http://www. atminst.ru/up_files/markeldoklad.pdf (дата обращения: 05.04.2019).
5. Ответы на вопросы. Рубрика для кабельщиков // Теле-Спутник. 2001. № 8 (70). С. 58.
6. Волхонская Е. В., Коротей Е. В., Рушко М. В. Алгоритм оценки вероятности битовой ошибки для систем с восьмиуровневой фазовой манипуляцией // Морские интеллектуальные технологии. 2017. Т. 2, № 4 (38). С. 212—216.
7. Прокис Дж. Цифровая связь. М., 2000.
8. Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) // DISPLIB.org. Теория и практика цифровой обработки сигналов : [сайт]. URL: http://www.dsplib.ru/ content/qpsk/qpsk.html (дата обращения: 24.02.2019).
Об авторе
Маргарита Владимировна Рушко — асп., Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Россия.
E-mail: [email protected]
The author
55
Margarita V. Rushko, PhD Student, Baltic State Academy of Fishing Fleet, Russia. E-mail: [email protected]
