Модем для организации ионосферной связи с использованием многочастотных широкополосных сигналов

Модем для организации ионосферной связи с использованием многочастотных широкополосных сигналов

Ключевые слова: ионосферный канал, широкополосный сигнал, дисперсионные искажения, многочастотный сигнал, модем.

Рассматривается аппаратно-программный макет модема, использующий многочастотные широкополосные сигналы (ШПС), для организации помехоустойчивого ионосферного канала связи. Модем включает в себя устройство режекции узкополосных помех, согласованный фильтр, который можно настраивать на отдельную поднесущую или на широкополосный сигнал в целом, некогерентный накопитель и набор когерентных корреляторов для каждой поднесущей.

Из-за дисперсионных свойств среды сигналы на отдельных поднесущих могут распространяться с разной задержкой, плавно изменяющейся во время сеанса передачи информации. Поэтому сопровождение ШПС по задержке на отдельных поднесущих производится независимо, с целью учета дисперсионных свойств среды. Для максимально полного использования текущей пропускной способности предусмотрена возможность выбора сигнально-кодовой конструкции: выбор параметров псевдослучайных последовательностей, используемых для формирования ШПС на поднесущих, и выбор помехоустойчивого кода и настройка его параметров. Приводятся результаты численных и натурных испытаний макета.

Аджемов С.С.,

д.т.нпрофессор, начальник отдела НИЧ МТУСИ, adjemov@sid.mtuci.ru

Воробьев КА,

М.н.с. НИЧ МТУСИ,

Косилов И.С.,

инженер 1 -й категории НИЧ МТУСИ,

Кочетков ЮА,

инженер 1 -й категории НИЧ МТУСИ,

Лобов Е.М.,

м.н.с. НИЧ МТУСИ, lobov@srd.mtuci.ru

В современных системах передачи информации активно применяются широкополосные сигналы (ШПС). Однако, частотная дисперсия — наиболее существенное препятствие для работы широкополосных радиосистем передачи информации в декаметровом диапазоне. Ионосфера Земли является нестационарной средой распространения электромагнитных волн со свойством частотной дисперсии и сложными условиями помеховой обстановкой.

В работах [1, 2] получены оценки энергетических потерь при приеме широкополосных сигналов в условии частотной дисперсии ионосферного канала. Энергетические потери могут достигать величин порядка 15 дБ при ширине спектра сигнала — до 1 МГц. Одним из методов борьбы с дисперсионными искажениями является деление широкополосного канала на несколько одновременно работающих узкополосных подканалов, с целью уменьшения дисперсионных искажений в каждом из подканалов.

С другой стороны, в работах [3, 4] авторы предложили многочастотный ШПС, — сигнал, комплексная огибающая которого состоит из нескольких поднесущих, каждая из которых является относительно узкополосным ШПС. Ширина спектра отдельных поднесущих предполагается достаточно большой, чтобы можно было различать отдельные многолучевые компоненты и принимать их совместно, реализуя схему разнесенного приема одновременно во времени и по частоте. Авторы работ [3, 4] показали, что многочастотные ШПС являются наиболее помехоустойчивой сигнальной конструкцией по сравнению с обычным ШПС и сигналом типа OFDM в условиях многолучевого распространения сигнала, при условии использования нелинейного режима работы выходного каскада передатчика и наличия узкополосных помех в эфире.

В работе [5] для использования в ионосферном канале были предложены сигнально-кодовые конструкции (СКК) на основе многочастотного ШПС с применением турбо-кодирования и частотновременного перемежения. С помощью имитационного моделирования была показана высокая эффективность предлагаемых СКК в типовых канальных условиях с учетом частотной дисперсии.

Обработка многочастотного ШПС, принимаемого через ионосферный канал, сопровождается рядом трудностей, порождаемых частотной дисперсией, например, различные групповая и фазовая задержки для отдельных поднесущих.

Аппаратно-программного модема для организации ионосферной связи с использованием СКК на основе многочастотных ШПС.

Аппаратной частью макета является разработанная в МТУСИ плата-приемник прямого усиления подключенная к ПЭВМ. Данная плата обеспечивает оцифровку принимаемого радиосигнала и формирование его комплексной огибающей, которая затем подается в ПЭВМ для программной обработки. Программная часть макета разработана на языке высокого уровня С++. Ниже описываются алгоритмы работы программной части макета.

Рис. 1. Структурная схема формирователя комплексной огибающей СКК

Структура формирователя комплексной огибающей СКК изображена на рис. 1. Формирователь включает в себя настраиваемый помехоустойчивый кодер (поддержаны сверточный код, кода Рида-Соломона и трубо-кода, с возможностью настройки параметров), генератор синхро-преамбулы, необходимой для установления кадровой синхронизации на приемной стороне. В качестве синхро-преамбулы используется М-последовательность, длиной 31 бит с дополнительным 32-м битом.

Частотно-временной перемежитель осуществляет перемежение кодовых символов во времени и по частоте (между поднесущими) в соответствии с определенным алгоритмом перемежения (один из вариантов описан в [5]). На каждой поднесущей используется своя псевдослучайная последовательность (ПСП) для передачи данных. Это необходимо для уменьшения влияния поднесущих друг на друга при нелинейном режиме работы передатчика. В качестве расширяющей ПСП используется М-последовательность с различной длиной и полиномом. После расширения спектра каждая поднесущая фильтруются при помощи ФНЧ для того, чтобы избежать перекрытия их спектров. Далее комплексные огибающие поднесущих переносятся на соответствующие частоты, суммируются и формируют комплексную огибающую многочастотного ШПС.

Структурная схема устройства обработки комплексной огибающей СКК изображена на рис. 2.

Отсчеты комплексной огибающей принимаемого сигнала подаются на режектор узкополосных помех, который вычисляет спектр принимаемого сигнала и осуществляет обнуление спектральных компонент, превышающих заданный порог.

После очистки принимаемого сигнала от помех осуществляется обнаружение многочастотного ШПС и синхронизация с ПСП передатчика. Для этого используется согласованный фильтр (СФ), на который может быть подана комплексная огибающая всего сигнала целиком или огибающая заранее выбранной поднесущей (см. рис. 2; подача регулируется мультиплексором). Согласованный фильтр реализует алгоритм быстрой свертки комплексной огибающей принимаемого сигнала (или отдельной его поднесущей) с комплексной огибающей опорного многочастотного ШПС (или отдельной его поднесущей) через алгоритмы быстрого преобразования Фурье [6]. С одной стороны использование всех поднесущих в алгоритме согласованной фильтрации позволяет целиком использовать энергию принимаемого сигнала при его обнаружении, а значит, позволяет увеличить вероятность обнаружения сигнала при

одновременном уменьшении вероятности ложного срабатывания. С другой стороны, из-за частотной дисперсии ионосферного канала и случайного характера передаваемых данных отдельные поднесущие принимаемого сигнала могут оказаться в противофазе относительно соответствующих поднесущих опорного многочастотного ШПС. Это может привести к обратному эффекту — ухудшению вероятностных параметров обнаружителя. Поэтому предусмотрен режим обнаружения сигнала с использованием только одной выбранной поднесущей.

Рециркулятор обеспечивает некогерентное накопление взаимно-корреляционной функции (ВКФ) с выхода СФ с целью выделения из шума пиков, соответствующих многолучевым компонентам принимаемого сигнала. Сигнал с выхода рециркулятора подается на обнаружитель пиков, который обеспечивает начальную синхронизацию ПСП приемника с принимаемым сигналом.

Системы слежения за задержкой (которые выполнены в виде схем некогерентной автоматической подстройки времени [7]) поддерживают синхронность ПСП приемника раздельно по каждой поднесущей в условиях плавного изменения их задержек. Система слежения за задержкой также обеспечивает снятие модуляции ПСП на каждой поднесущей, когерентное накопление сигнала на интервале длительности ПСП и передачу результата накопления в когерентный демодулятор. Когерентный демодулятор принимает мягкое решение по входным символам и обеспечивает фазовую автоматическую подстройку частоты опорного колебания, что позволяет корректировать доплеровское смещение частоты и фазу поднесущей. Опорное колебание подается обратно на систему слежения за задержкой, где перемножается с сигналом на поднесущей, перед тем, как сигнал поднесущей поступит на дальнейшую обработку. Из-за частотной дисперсии и нестационарности ионосферного канала различные поднесущие могут обладать разной задержкой и доплеровским смещением частоты. Для коррекции используется раздельная схема слежения за задержкой и частотами поднесущих. В условиях пренебрежительно малой частотной дисперсии предусмотрен режим слежения за задержкой только одной выбранной поднесущей и обеспечение синхронизации с ней всех опорных ПСП приемника.

Рис. 2. Структурная схема устройства обработки комплексной огибающей СКК

Млиничныс би ты М-последовательность

Инициал тир) ющая с и 11X ро-11 рсамбу ;іа Межблочная синхро-преамбула Блок ланных Межблочная сииXро-11 реамбул а Блок ланных

Рис. З. Структура кадра

Обнаружитель синхро-преамбулы обеспечивает кадровую синхронизацию приемника и деперемежение принимаемых символов, которые далее поступают на помехоустойчивый декодер.

Структура передаваемого кадра (без учета частотно-временного перемежения) изображена на рис. З.

На этапе установлении связи, посылается известное количество единичных бит инициализирующей синхро-преамбулы. Предполагается, что за это время приемное устройство должно обнаружить сигнал в эфире, установить символьную и частотную синхронизацию и подготовиться поиску межблочной синхро-преамбулы и битовой синхронизации. На втором этапе посылается межблочная синхро-преамбула. Радиоприемное устройство обнаруживает межблочную синхро-преамбулу в потоке бит и переходит к непосредственному приему данных. Далее следует участок данных, который состоит из нескольких блоков кодированной полезной информации. После чего вновь посылается межблочная синхро-преамбула для контроля битовой синхронизации. Каждый кодовый блок защищен дополнительно циклическим кодом CRC16.

Разработанный макет устройства прошел стендовые и натурные испытания. Целью стендовых испытаний разработанного макета была проверка работоспособности его отдельных модулей, комплексная проверка с использованием программной модели ионосферного канала и оценка энергетических потерь на реализацию макета для заданных скоростных режимов работы.

Во время стендовых испытаний длина используемых ПСП принималась равной от 512 до 4Q96 символов, скорость передачи символов ПСП — от 12.5 до 1QQ симв/с, что соответствует скорости передачи информации в канале по одной поднесущей от 12.2 до 195.З бит/с (для ФМ-2), ширина спектра отдельной поднесущей — от 25 до 2QQ кГц (измеренная по первым нулям основного лепестка спектра). Число поднесущих — от З до 1Q. Для указанных параметров энергетические потери на реализацию макета модема не превысили Q.6 дБ, при времени вхождении в синхронизм от З до 8 секунд в зависимости от скорости передачи информации.

60 кГц

-20 кГц I

•-'.v..

20 кГц « »

0 кГц

11) k-Г її

і

^т -j

1

Целью натурных испытаний разработанного макета была комплексная проверка его работоспособности в целом в реальных условиях ионосферного канала. В натурных испытаниях использовался ШПС с тремя поднесущими. В качестве расширяющих ПСП были выбраны три разных M-последовательности длинной Ю2З импульса, при этом длительность одного импульса ПСП равна BQ мкс, а ширина основного лепестка спектра каждой из трех поднесущих — 25 кГц. Частотный разнос поднесущих составил 2Q кГц. Чтобы избежать перекрытия спектров неортогональных поднесущих, применялась предварительная фильтрация посредством режекторной фильтрации основных лепестков их спектров в полосе 2Q кГц. Спектр сигнала изображен на рис. 4.

Длительность одной М-последовательности составляет B1.92 мс, канальная скорость на каждой из трех поднесущих равна 12.2 бит/с, общая канальная скорость всего сигнала — З6.6 бит/с. В качестве помехоустойчивого кода был применен сверточный код с относительной кодовой скоростью 1/2 и длинной кодового ограничения 9. Испытания проходили на короткой 2QQ км трассе.

На рисунке 5 изображен усредненный спектр принятого сигнала, в котором отчетливо видны узкополосные помехи (слева помеха с шириной спектра около 9 кГц). Полезный сигнал расположен на 20дБ ниже уровня шумов. На рисунке 6 изображен спектр сигнала на выходе модуля режекции узкополосных помех. Показано, что спектральные компоненты, соответствующие узкополосными помехам, обнулены модулем режекции.

На рисунке 7 изображены сигналы с выхода рециркулятора, при настройке СФ на каждую из поднесущих отдельно. Для каждой из поднесущих имеется З многолучевых компоненты, две из которых приблизительно равны по мощности и с малой взаимной задержкой — до 2QQ мкс, с большой вероятностью это свидетельствует о магнитоионной природе их возникновения.

На рисунке B в увеличенном масштабе изображены пики ВКФ на выходе рециркулятора, соответствующие трем используемым поднесущим. Групповая задержка поднесущих варьировалась со временем в пределах 6-B мкс из-за частотной дисперсии ионосферного канала.

Сеанс связи натурного эксперимента длился порядка 15Q секунд. Во время натурного эксперимента макет функционировал в условиях узкополосных помех и частотной дисперсии ионосферного канала, которая проявлялась в различной групповой задержке и различному доплеровскому смещению отдельных поднесущих принимаемого сигнала.

За это время было безошибочно передано 547Q бит полезной информации. При этом разработанный макет ионосферного модема успешно обнаружил сигнал, установил тактовую и частотную синхронизацию на протяжении всего сеанса и осуществлял прием и декодирование данных.

Рис. 4. Спектр излучаемого сигнала

Рис. 5. Спектр принимаемого сигнала

Рис. 6. Спектр сигнала после режекции помех

Рис. 7. Сигналы на выходе рециркулятора

Рис. 8. Дисперсионные задержки отдельных поднесущих

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов Д.В. Методы и математические модели исследования распространения в ионосфере сложных декаметровых сигналов и коррекции их дисперсионных искажений — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006 — 266 с.

2. Лобов Е.М. Оценка помехоустойчивости радиолинии с частотной дисперсией // Труды РНТОРЭС им. А.С. Попова, серия: научная сессия, посвященная дню радио, вып. 65, 2010, С. 404 — 406

3. Климов И.З., Копысов А.Н., Чувашов А.М. Сравнительная оценка вариантов построения широкополосных систем связи // Труды междунар. науч.-техн. конф. "Радиотехника, электроника и связь" (РЭиС-2011). — Омск, 2011. — С.57-65.

4. Климов И.З., Копысов А.Н., Чувашов А.М. Исследование вариантов построения широкополосных систем связи // Труды 14-й МНТК "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (DSPA-2012). — М., 2012. — Т. 2. — С.435-439

5. Воробьев КА., Косилов И.С., Лобов Е.М. Широкополосные многочастотные сигнально-кодовые конструкции с применением турбо-кодирования и частотно-временного перемежения для ионосферного радиоканала // труды международного научно-технического семинара "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуни-кациях" (Синхроинфо-2012). — Йошкар-Ола, 2012. — С.105-107

6. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. — М.: ООО "Бином-Пресс", 2006 г., — 656 с.

7. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами, — М.: Радио и связь, 1985. — 384 с.

The hardware and software model of the modem for the organization of the ionosphere due to the use of multi-frequency broadband signals

Adjemov Sergey, doctor of technical sciences, professor, head of department of the SRD MTUCI, adjemov@srd.mtuci.ru Vorobiev Konstantin, junior scientific researcher of the SRD MTUCI,

Kosilov Ilya, engineer of the first category of the SRD MTUCI,

Kochetkov Yury, engineer of the first category of the SRD MTUCI,

Lobov Evgeny, junior scientific researcher of the SRD MTUCI, lobov@srd.mtuci.ru

Moscow Technical University of Communications and Informatics

Abstract: The paper considers the hardware and software model of a modem, using multi-frequency broadband signals, for the organization of the noiseproof ionospheric channel.

The modem includes a narrow-band interference rejection device, matched filter, which can be configured for a separate subcarrier or for the broadband signal in the whole, incoherent accumulator, set of coherent correlators for each subcarrier.

Because of the dispersion properties of the medium signals at individual subcarrier can be distributed to various delays, smoothly changing during a session of communication. Therefore, maintenance of subcarriers for the delay on individual subcarriers is performed independently, to take into account the dispersion properties of the medium.

The signal-code structures can be select to fully utilize the current capacity: parameters of pseudo-random sequences, forward error-correcting code parameters.

Results of numerical and full-scale experiments are presented.

Keywords: ionosphere channel, broadband signal, dispersion distortion, multicarrier signal, modem.