Разработка программного комплекса по оценке качества цифрового канала связи морской подвижной спутниковой службы

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

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: margarita_rushko@inbox.ru

The author

55

Margarita V. Rushko, PhD Student, Baltic State Academy of Fishing Fleet, Russia. E-mail: margarita_rushko@inbox.ru