Радиорелейная и радиотропосферная связь

связи в полосе частот 20 Мгц. При этом возможна одновременная передача

измерительного и информационного сигналов, причем для. передачи информации

можно использовать аналоговые методы модуляции, например, частотную, а в

качестве опорного шумоподобный сигнал с равномерным спектром в полосе 20

Мгц. В процессе работы на приемном -конце в результате обработки

измерительного сигнала оценивается состояние канала во всем диапазоне п

выбирается оптимальная частота, значение которой кодируется и передается по

каналу обратной связи. В принципе, разрешающая способность измерительного

сигнала может быть сделана очень большой, однако выигрыш такого метода

целиком зависит от статистических свойств канала СТР.

В системах с обратным каналом связи можно менять не только частоту

передатчика, но и девиацию (в случае ЧМ), число каналов, мощность

передатчика или все одновременно. Основная особенность—возможность передачи

аналоговой информации, в отличие от предыдущих систем, 'передающих только

дискретную информацию.

Применение дискретизации и квантования аналоговой информации, т. е. переход

к дискретной информации, дает возможность согласовать скорость передачи

информации с полосой пропускания тракта при использовании обычных

узкополосных методов модуляции. Это возможно, например, путем разбиения

канала с высокой скоростью на п параллельных каналов (с разнесением их по

(Времени и частоте) со скоростью передачи, в п раз меньшей. Возможно

использование и многопозиционного кодирования. Перспективно использовать

многоканальную систему, где в субканалах используются многопозиционные

1коды. При этом аппаратура обладает большой гибкостью, так как при плохих

условиях распространения легко увеличить порядок разнесенного приема за

счет уменьшения скорости передачи.

2.3. ПОВЫШЕНИЕ чАСТОТНО-ЭНЕРГЕТИчЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРОПОСФЕРНЫХ СИСТЕМ

СВяЗИ

Тропосферные линии связи занимают особое место среди различных видов

связи, применяющихся на практике. Эти линии обеспечивают передачу

дискретной информации со скоростями до 2 - 8 Мбит/с на интервалах связи 100-

500 км в диапазоне частот до 8 ГГц при общей протяженности линий до 1000-

2000 км. Средства связи этого типа превосходят другие в условиях

организации связи в труднодоступных и малонаселенных районах, особенно

расположенных в высокоширотных областях земного шара, а также при создании

линий связи в чрезвычайных условиях, когда другие виды связи не эффективны.

Среди всех видов связи тропосферные линии являются одним из наиболее

сложных в техническом отношении устройств. Эта сложность обусловлена

характером распространения волн, который характеризуется как своими

случайными параметрами, так и большими энергетическими потерями на трассе

распространения. Поэтому вопросы, связанные с совершенствованием принципов

построения таких систем всегда являются актуальными.

К таким вопросам относятся проблемы увеличения помехоустойчивости системы

связи, которая напрямую связана с ее стоимостью. В условиях напряженной

энергетики любое снижение требуемой мощности излучения приводит к

существенному снижению массо-габаритных характеристик, а значит и стоимости

станции. Увеличение помехоустойчивости должно производиться при минимизации

занимаемой полосы частот. Проведем анализ эффективности различных вариантов

построения тропосферных станций с учетом этих параметров:

помехоустойчивости и частотной эффективности.

Традиционным способом повышения помехоустойчивости систем связи по

каналам с переменными параметрами является разнесенный прием, который

реализуется путем дублирования передаваемой информации по нескольким

трактам передачи с независимыми замираниями уровня сигнала. Одновременно с

этим большое развитие получила теория помехоустойчивого кодирования,

которое является единственным средством повышения достоверности передачи

информации без изменения энергетического потенциала радиолинии.

В последнее время в мировой литературе много внимания уделяется методам

кодирования с хорошей частотно-энергетической эффективностью, при которой

заданная помехоустойчивость достигается при минимально возможной полосе

частот. Построение таких кодов возможно на базе ансамбля сигналов с

основанием больше 2, в частности, когда элементами кода являются

многофазные сигналы. Частотно-энергетически эффективные коды получили

наименование сигнально-кодовых конструкций (СКК). Большой интерес

представляет собой исследование целесообразности использования СКК в

каналах с переменными параметрами вместо традиционного разнесенного приема.

В системах с разнесенным приемом с ограниченным числом параллельных каналов

наиболее подходящими являются блочные СКК.

Приведем результаты исследования частотно-эффективных методов построения

систем связи по трактам с переменными параметрами и, в частности,

тропосферных систем связи. В число этих результатов входит методика расчета

вероятности ошибочного приема информации в каналах с замираниями при

использовании блочных многофазных сигнально-кодовых конструкций (СКК),

которая позволяет проводить анализ помехоустойчивости при коррелированных и

некоррелированных замираниях в символах СКК.

Помехоустойчивость систем с СКК в канале с независимыми релеевскими

замираниями

Исследуем помехоустойчивость систем когерентного приема в канале с

независимыми релеевскими замираниями различных способов передачи

информации, среди которых рассматриваются методы многократной фазовой

манипуляции с использованием кода Грея, двоичные коды с фазовой

манипуляцией, блочные сигнально-кодовые конструкции.

В качестве параметра частотно-энергетической эффективности возьмем

зависимость отношения "сигнал/шум" - h20 =f(g), необходимого для получения

заданной вероятности ошибки p, где g=Ts/To=k/n - частотная эффективность,

Ts - длительность тактового интервала СКК, To - длительность тактового

интервала в информационной последовательности, k-число информационных

символов, n - число символов кода, h20 =s2T0/n2ш -отношение "сигнал/шум" в

полосе некодированной передачи, s2 -дисперсия сигнала, n2ш -спектральная

плотнсть шума.

Рассмотрим СКК, построенные на основе хэммингового расстояния 2-го

порядка, которое обозначим через М(n1,k). Здесь k - число информационных

символов, n -число элементов в СКК 2-го типа, n1 =2n -число элементов в

исходном двоичном коде. Перечень СКК, рассмотренных в данной статье,

приведен в табл. 1.

Таблица 1

|Наименование исходного кода |Условное обозначение кода|Длина СКК, 1n|

|Расширенный код Хэмминга (8,4) |М(8,4) |4 |

|Код Нордстрома-Робинсона (16,8)|М(16,8) |8 |

|Код Голея (24,12) |М(24,12) |12 |

|Код Рида-Малера(32,16) |М(32,16) |16 |

Для исследования помехоустойчивости четырехфазных сигнально-кодовых

конструкций из табл. 1 методом перебора на ПЭВМ были получены спектры

эквивалентных кодовых слов и спектры условных вероятностей ошибки приема

одного символа df. Эти СКК обладают одинаковой частотной эффективностью g=1

такой же, как и у некодированной однократной фазовой манипуляции (ФМ2).

Зависимости вероятности ошибки от отношения "сигнал/шум",требуемого для

достижения вероятности ошибки p=104, для этих СКК приведены на рис. 1

(номер кривой соответствует порядковому номеру СКК из табл. 1).

[pic]

Рисунок 2.4.1 – График вероятности ошибок

На этом же рисунке для сравнения нанесены зависимости для ФМ4 с двумя

повторениями символов (m=2) и ФМ4 с m=4, которые обладают той же

избыточностью. Из рис 1. следует, что без расширения полосы частот можно

получить существенный выигрыш в энергетике за счет использования СКК по

сравнению с некодированной ФМ2, или по сравнению с системами с фазовой

модуляцией большей кратности. Наилучшей помехоустойчивостью из

рассмотренных обладает СКК М(24,12) на основе кода Голея, для которой

вероятность ошибки p=104 обеспечивается при отношении "сигнал/шум" h=10,5

дБ. В этом случае выигрыш в помехоустойчивости по сравнению с ФМ4 составит

около 10 дБ.

Оценивая полученные данные, можно сделать следующие выводы:

1. традиционные методы передачи информации по каналу с замираниями, в

которых используется только разнесенный прием (простое повторение

сигналов), не являются частотно-энергетически эффективными методами;

2. высокой эффективностью обладают четырехфазные сигнально-кодовые

конструкции, среди которых следует выделить четырехэлементную СКК на

основе кода Хэмминга (кривая 1), восьмиэлементную СКК на основе кода

Нордстрома-Робинсона (кривая 2) и 12-элементную СКК на основе кода

Голея (кривая 3).

Пространственно-частотные сигнально-кодовые конструкции

При построении систем тропосферной связи приходиться учитывать тот факт,

что декорреляция символов методом временного перемежения не всегда

приемлема. Это связано с тем, что для передачи речевого сообщения

существует ограничение на допустимую задержку сообщения, а при перемежении

такая задержка принципиально присутствует и существенно зависит от длины

кодового слова и числа интервалов в многоинтервальной тропосферной

радиолинии.

Учитывая это обстоятельство и тот факт, что основными видами информации в

тропосферных системах связи как аналоговых, так и цифровых, являются

многоканальные сообщения, включающие в себя и телефонные каналы , при

построении тропосферных средств связи нашли применение в основном методы

декорреляции сигналов по пространственно-частотным разнесенным трактам

передачи.

В реальных системах связи, например, тропосферных, число каналов

разнесения обычно ограничено (2,4,8,16). Наряду с простым повторением

одного и того же сигнала по параллельным каналам, как это делается при

разнесенном приеме, можно преобразовать входную информацию в комбинации

сигналов, используя идеи совмещения модуляции и кодирования без расширения

суммарной полосы частот и с выигрышем по помехоустойчивости. В случае

указанных выше систем этот метод приводит к пространстенно-частотным

сигнально-кодовым конструкциям (ПЧСКК).

Был проведен анализ помехоустойчивости различных вариантов

сигналообразования в системе связи с ПЧСКК. Отличительной особенностью

ПЧСКК по сравнению с рассмотренными СКК, является необходимость

обязательного учета повторений элементов СКК, дублированных в ветвях

разнесения, а также рассмотрение вариантов, где символы СКК коррелированы.

В табл. 2 приведены параметры помехоустойчивости СКК из табл. 1, т.е.

отношение "сигнал/шум", требуемое для достижения вероятности ошибки p=10-4

при различном числе разнесений m.

Таблица 2

|Число разнесений, м|Отношение "сигнал-шум" для СКК, дБ |

| |М(8,4) |М(16,8) |М(24,12)|М(32,16)|ФМ4,1м |

|1 |39,6/15,|45,2/12,|52/10,1 |52/11,6 |35,6 |

| |0 |1 | | | |

|2 |20,6/10,|22,7/8,4|25,3/7,3|25,3/7,6|19,3 |

| |3 | | | | |

|3 |15,1/8,9|15,9/7,3|17,3/6,4|17,3/6,4|15,1 |

|4 |12,6/8,2|12,8/6,8|13,7/6,0|13,7/6,0|13,1 |

| |5 | | | | |

|5 |11,2/7,9|11,1/6,5|11,6/5,7|11,6/5,7|12,1 |

| | |5 |5 |5 | |

|8 |9,2/7,3 |8,2/- |8,8/- |8,8/- |10,6 |

|16 |7,7/6,9 |7,0/- |6,7/- |6,7/- |9,5 |

|бесконечн. |6,4/6,4 |5,5/5,5 |4,8/4,8 |4,8/4,8 |8,4 |

Примечание. В числителе - при коррелированных замираниях в элементах СКК;

в знаменателе - при некоррелированных замираниях

Рассмотрим два варианта сигналообразования.

В первом варианте замирания в элементах кодового слова полностью

коррелированы, а сигналы разнесения некоррелированы. Блок-схема такой

системы связи приведена на рисунке 2.4.2.

[pic]

Рисунок 2.4.2 – Блок-схема системы связи

Во втором варианте сигналообразования замирания в элементах кодового

слова некоррелированы и сигналы разнесения некоррелированы. Блок-схема

такой системы связи приведена на рисунке 2.4.3.

[pic]

Рисунок 2.4.3 – Блок схема системы связи

Для сравительного рассмотрения взяты: двухантенная система связи (Q=2

антенн на передающей стороне, q=2 антенн на приемной стороне) и

четырехантенная система связи (Q=4 антенн на передающей стороне, q=4 антенн

на приемной стороне).

Сравнительные характеристики вариантов приведены в табл. 3 (двухантенная

система) и 4 (четырехантенная система).

Таблица 3

|Параметры |Значения параметров для|

| |ФМ4ч |ФМ4 |СКК-М(8,4) |

|k |2 |2 |4/4/4 |

|n |1 |1 |4/4/4 |

|m |4 |16 |4/2/4 |

|y |1 |0,25|0,5/1/0,25 |

|h 20 |7,1 |3,5 |6,6/4,3/2,2|

| | | |5 |

Примечание. Значения для М(8,4) приведены соответственно для ПЧСКК1

(корр.)/ПЧСКК2 (некорр.)/ПЧСКК3 (некорр.)

Таблица 4

|Параметры |Значения параметров для |

| |ФМ4 16 |М(8,4) |М(16,8)|М(24,12)|

|k |2 |4/4 |8/8 |12/12 |

|n |1 |4/4 |8/8 |12/12 |

|m |16 |16/16 |16/8 |16/4 |

|y |0.5 |0.25/0.2|0.25/0.|0.25/1 |

| | |5 |5 | |

|h 20 |-2.5 |-4.3/-5.|-5/-5.5|-5.3/-6.|

| | |1 | |0 |

Примечание. М(8,4): в числителе - ПЧСКК4 (корр.),в знаменателе для ПЧСКК5

(некорр.); М(16,8) - ПЧСКК6 (корр.)/ПЧСКК7 (некорр.); М(24,12)-ПЧСКК8

(корр.)/ПЧСКК9 (некорр.)

В табл. 3 собраны данные для следующих вариантов построения двухантенной

системы:

ФМ44 - четырехфазная манипуляция (одна антенна излучает символ информации

на частоте f1, а вторая антенна дублирует его на частоте f2). При этом

обеспечивается четырехкратный разнесенный прием;

ФМ416 - четырехфазная манипуляция (одна антенна повторяет один символ

информации на четырех не перекрывающихся по времени частотах, а вторая

антенна повторяет его на тех же частотах следующих друг за другом так,

чтобы можно было различать повторяющиеся элементы на приемной стороне. При

этом обеспечивается шестнадцатикратный разнесенный прием;

М(8,4) кор.(ПЧСКК1) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга, образованная в системе по рисунку 2.4.2.

М(8,4) некор. (ПЧСКК2) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга, образованная в системе по рисунку 2.4.3. Здесь

первые два элемента СКК на передаче излучаются первой антенной на отдельных

частотах без их временного перекрытия, а другие два элемента СКК - другой

антенной на тех же частотах, следующих в другой последовательности для

того, чтобы уметь различать все элементы на приеме;

М(8,4) некор. (ПЧСКК3) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга, образованная в системе по рисунку 2.4.3. Здесь

каждый элемент СКК на передаче излучается одной антенной на отдельной

частоте без их временного перекрытия и дублируется второй антенной на тех

же частотах, следующих в другой последовательности для того, чтобы уметь

различать все элементы на приеме.

В табл. 4 приведены данные для следующих вариантов построения

двухантенной системы.

ФМ4- четырехфазная манипуляция (одна антенна излучает символ информации

на частоте f1, вторая антенна дублирует его на частоте f2, третья антенна

дублируется на частоте f3, а четвертая антенна - на частоте f4). При этом

обеспечивается шестнадцатикратный разнесенный прием;

М(8,4) кор.(ПЧСКК4)-сигнально-кодовая конструкция на основе расширенного

кода Хэмминга, образованная в системе по рисунку 2.4.2;

М(8,4) некор. (ПЧСКК5) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга, образованная в системе по рисунку 2.4.3. Здесь

каждый элемент СКК на передаче излучается одной антенной на отдельной

частоте без их временного перекрытия и дублируется второй, третьей и

четвертой антенной на тех же частотах, следующих в другой

последовательности для того, чтобы различать все элементы на прием;

М(16,8) кор. (ПЧСКК6) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга образованная в системе по рисунку 2.4.2;

М(16,8) некор.(ПЧСКК7) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга образованная в системе по рисунку 2.4.3. Здесь

первые четыре элемента СКК на передаче излучаются первой антенной на

отдельной частоте без их временного перекрытия и дублируются второй

антенной на тех же частотах, а последние четыре элемента излучаются третьей

антенной на тех же частотах и дублируются четвертой антенной. На всех

антеннах выбран различный порядок следущих друг за другом частот для того,

чтобы в один и тот же момент времени всеми антеннами излучались различные

частоты и тем самым различались все элементы на прием;

М(24,12) кор.(ПЧСКК8) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга, образованная в системе по рисунку 2.4.2;

М(24,12) некор.(ПЧСКК9) - сигнально-кодовая конструкция на основе

расширенного кода Хэмминга, образованная в системе по рисунку 2.4.3. Здесь

каждый элемент СКК на передаче излучается одной антенной на отдельной

частоте без их временного перекрытия и дублируется второй, третьей и

четвертой антенной на тех же частотах, следующих в другой

последовательности для того, чтобы различать все элементы на прием.

В табл. 3 и 4 для каждого варианта приведены сравниваемые параметры:

число информационных символов - k, число символов СКК - n, число

пространственно-частотных разнесений - m, коэффициент частотной

эффективности - g=k/nW, число частотных подканалов - W, на которых

продублированы символы СКК, среднее отношение "сигнал/шум" h2 в полосе

частот передаваемой информации на входе одной ветви разнесения, необходимое

для достижения вероятности ошибки p=10-4 одного символа информации. На

основе анализа данных из табл. 3 и 4 можно сделать следующие выводы. В

системе, где используются две антенны без расширения полосы частот,

применение четырехэлементных СКК при независимых замираниях в элементах

(ПЧСКК2) позволяет получить выигрыш в отношении "сигнал/шум" по сравнению

со счетверенным разнесенным приемом ФМ44 в 2,8 дБ. При увеличении полосы

частот в 4 раза путем четырехкратного повторения сигнального символа

кратность разнесения может быть увеличена до 16 (обозначим четырехфазную

систему манипуляции с 16-кратным приемом ФМ416). За счет этого выигрыш в

отношении "сигнал/шум" увеличится на 3,6 дБ, в то время как при

использовании ПЧСКК3, построеноой на основе СКК М(8,4) этот выигрыш

составит 4,85 дБ.

При коррелированных символах ПЧСКК 1 дает незначительное уменьшение

требуемого отношения "сигнал/шум" до 0,5 дБ. В системе, где используются

четыре антенны без расширения полосы частот, применение четырехэлементных

СКК при независимых замираниях в элементах (ПЧСКК 5) позволяют получить

выигрыш в отношении "сигнал/шум" по сравнению с шестнадцатикратным

разнесенным приемом ФМ416 в 2,6 дБ. При коррелированных символах ПЧСКК4

дает уменьшение требуемого отношения "сигнал/шум" до 1,8 дБ.

При использовании ПЧСКК больших размерностей разница в помехоустойчивости

между вариантами с коррелированными и некоррелированными замираниями

элементов сигнала становиться незначительной (не более 1 дБ). По сравнению

с 16-кратным приемом ФМ416 этот выигрыш для разных вариантов колеблется в

пределах от 2,5 до 3,5 дБ.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать общий

вывод, что применение ПЧСКК в системах с разнесенным приемом и, в

частности, в тропосферных системах связи, позволит получить дополнительные

выигрыши в помехоустойчивости без существенного увеличения полосы частот.

заключение

Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС). РРЛ, ТРЛ и спутниковые линии

связи работают в общем диапазоне частот. При этом между ними могут

возникать взаимные помехи. С целью уменьшения взаимных помех

радиопередатчики формируют радиосигнал с минимальной полосой частот,

достаточной для передачи информации с заданной скоростью и качеством,

которая называется необходимая ширина полосы частот (НШЧ), а радиосигнал с

такой полосой частот — основное излучение радиопередатчика. Любое излучение

радиопередатчика за пределами НШЧ называют нежелательным радиоизлучением.

При работе нескольких линий радиосвязи в общих полосах частот, прием

полезного сигнала каждой радиостанцией возможен при распределении диапазона

частот между передающими радиостанциями по определенному плану; ограничении

мощности передатчиков; координации взаимной ориентации антенн и

расположения станций на местности. При выполнении этих условий

обеспечивается ЭМС между РРС.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.В. Серов «Оценка частотно-энергетической эффективности двоичных

кодов и сигнально-кодовых конструкций при идеальном когерентном приеме

в каналах с релеевскими замираниями», «Радиотехника и электроника»,

1992, N 8.

2. В.В. Серов «Помехоустойчивость пространственно-частотных кодовых

конструкций в каналах с релеевскими замираниями», «Радиотехника», N9,

1995.

3. А.И. Раков «Надежность РРС связи», «Связь», М., 1971.

4. М.М. Маковеева «РРЛ связи» М., 1988-312с., «Радио и связь».

5. В.В. Марков «Малоканальные РРЛ связи», «Сов. Радио», М., 1963.

6. И.А. Гусятинский и др. «Дальнее тропосферное рассеивание», «Связь»,

М., 1968.

Страницы: 1, 2, 3, 4