Способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением
METHOD OF TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION OVER A MULTIPATH CHANNEL

Изобретение относится к передаче цифровой информации по каналу связи с многолучевым распространением и может быть использовано в системах связи для обеспечения правильного приема переданной информации.
Известно, что при передаче информации по каналу связи с многолучевым распространением за счет интерференции приходящих лучей возникают замирания в принимаемом сигнале. Эти замирания воздействуют на передаваемое сообщение случайным образом, избирательно по частотам и времени воздействия (Л.М. Финк. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Советское радио, 1970). Именно они оказывают наибольшее влияние на снижение вероятности правильного приема переданного сообщения.
Известны методы ослабления влияния замираний путем разнесения по частоте. Сигнал передается через М передатчиков и М приемников, работающих на М разных несущих частотах. Разность несущих частот выбирается так, чтобы сигналы на выходах приемников были некоррелированными. Поскольку замирания по разному воздействуют на каждый из М каналов передачи, глубина замираний в суммарном (комбинированном) сигнале снижается. Недостатками частотного разнесения является необходимость дополнительных затрат полосы частот (затраты увеличиваются в М раз) и рост количества аппаратных средств (передатчиков, приемников и средств формирования результирующего сигнала из М принятых). Также либо в М раз возрастает потребляемая этой аппаратурой мощность, либо понижается мощность каждого отдельного передатчика.
Подобные способы передачи данных описаны в (Теория электрической связи: учебное пособие / К.К. Васильев, В.А. Глушков, А.В. Дормидонтов, А.Г. Нестеренко; под общ. ред. К.К. Васильева. - Ульяновск: УлГТУ, 2008, стр. 305; Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров; Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 1998, стр. 208).
В цифровых системах передачи данных активно применяются также комбинированные частотно-временные методы ослабления влияния замираний, в которых используется алгоритм формирования и детектирования сигналов, манипулированных по частоте с учетом частотно-временных матриц, соответствующих многоэлементному символу, последовательно передаваемому тональными импульсами по частотно-разнесенным подканалам, количество которых соответствует числу временных позиций на длительности одного символа. Например, известен метод ДЧТ (двойная частотная телеграфия), который заключается в том, что один дибитный символ сообщения передается на одной из четырех параллельных поднесущих частот F1, F2, F3 и F4. Если, например, излучение передается на частоте F1, то оно может соответствовать передаче дибита «00». Излучение на частоте F2 может соответствовать передаче дибита «01», излучение на частоте F3 может соответствовать передаче дибита «10», а излучение на частоте F4 может соответствовать передаче дибита «11» [Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - Советское радио, 1963. - С. 133, 289].
Наиболее близким к заявляемому является способ передачи дискретной информации по гидроакустическому каналу связи в условиях многолучевого распространения сигнала, описанный в п. РФ №2519011 С1. Данный способ частотно-разнесенной передачи дискретных сообщений определяет алгоритм формирования и детектирования радиосигналов, манипулированных по амплитуде и частоте с учетом частотно-временных матриц, соответствующих многоэлементному символу, последовательно передаваемому радиоимпульсами на разнесенных по частоте поднесущих, количество которых соответствует числу временных позиций на длительности одного символа. Вероятность правильного приема символа повышается за счет замены одной поднесущей в течении символа на последовательность поднесущих, вероятность одновременного поражения которых частотно-селективным замиранием существенно ниже вероятности поражения одной частоты.
Однако необходимость приема и выделения из принятого сигнала последовательно по времени нескольких поднесущих за время длительности одного символа снижает скорость передачи информации либо, при пропорциональном уменьшении времени детектирования каждой поднесущей, снижает избирательность приемника по частоте. Кроме этого, усложнение алгоритма приема нескольких поднесущих с их последующей обработкой по сравнению с алгоритмом приема единственной поднесущей приводит к затратам вычислительных ресурсов и соответствующему росту энергопотребления для реализации способа.
Для решения технической проблемы снижения влияния замираний при многолучевом распространении сигнала (вызванных интерференцией сигналов разных лучей на приеме) с использованием частотной модуляции предлагается способ, при котором информационный сигнал формируется на передающей стороне как последовательность символов, состоящих из последовательности тональных импульсов, передаваемых последовательно по времени на разнесенных по частоте поднесущих, количество которых соответствует числу временных позиций на длительности одного символа, при этом частоты всех поднесущих, соответствующих символу, принадлежат такому диапазону частот, что вся последовательность тональных импульсов, составляющих этот символ, обрабатывается на приемной стороне как один тональный импульс с длительностью, равной длительности символа.
Заявляемый способ позволяет повысить устойчивость канала передачи дискретных сообщений к замираниям без усложнения аппаратуры связи и без связанного с этим роста энергопотребления.
В основу решения данной проблемы было положено следующее. В любой системе связи, сформированной и переданной поднесущей частоте ƒ в приемнике, ставится в соответствие некая полоса частот ƒ±Δƒ. При попадании частоты принятого сигнала в эту полосу приемник принимает решение, что принята поднесущая ƒ. Ширина Δƒ определяется конкретной задачей, решаемой используемой системой связи. Например, Δƒ может быть определена допустимым в данной системе связи допплеровским частотным сдвигом или может определяться скоростью передачи данных в системе связи (как известно, скорость передачи данных и необходимая ширина полосы пропускания взаимосвязаны).
Предлагается расширить спектр формируемого сигнала в пределах вышеописанной полосы частот ƒ±Δƒ. Расширение спектра может быть выполнено известными способами, например последовательной передачей тональных импульсов по частотно-разнесенным подканалам, количество которых соответствует числу временных позиций на длительности одного символа, как в прототипе, или, например, с использованием ЛЧМ (линейной частотной модуляции).
Для приема сформированного вышеописанным способом символа используется без усложнения алгоритм приема однотонального импульса с длительностью, равной длительности символа, то есть наложенные заявляемым способом на Δƒ ограничения позволяют принять весь многотональный символ как однотональный, что является одним из преимуществ заявляемого метода.
Поскольку за время передачи символа частота поднесущей меняется - меняется и степень воздействия замираний на принимаемый сигнал, а так как обработка сигнала производится на интервале времени (на длительности) всего символа, а не его части, воздействие замираний усредняется по длительности символа и по полосе частот шириной 2Δƒ, и в результате усреднения глубина замираний снижается. При этом даже малая разность частот, передаваемых на длительности символа поднесущих, является эффективным средством подавления замираний, поскольку с увеличением расстояния между приемником и передатчиком увеличивается и разность набега фаз сигналов разных поднесущих.
Экспериментальная проверка заявляемого способа была реализована в аппаратуре акустической связи гидроакустического измерительно-регистрационного комплекса, используемого для связи с автономными донными станциями с борта судна по гидроакустическому каналу, а также для поиска станций в случае их смещения с точек постановки. Донные станции комплекса рассчитаны на длительные сроки постановки в море и имеют малые габариты, поэтому потребляемая станцией в рабочем состоянии мощность является критически важным параметром. Для акустической связи использовался диапазон частот 8500-9000 Гц. Канальный алфавит включал 4 символа, таким образом каждый символ содержит информацию о 2 битах передаваемой информации. Ширина полосы частот ƒ±Δƒ, соответствующей каждому символу, в описываемой системе связи определяется максимальной допустимой скоростью смещения судна относительно донной станции, равной 2,65 м/с. Такая допустимая относительная скорость смещения судна приводит к возможным допплеровским смещениям частоты принимаемой поднесущей до ±15 Гц. Соответственно, ширина полосы принимаемых частот, соответствующих символу, не может быть менее 30 Гц. Согласно заявляемому способу в передатчике для каждого передаваемого символа формируются и последовательно передаются в течении длительности символа десять поднесущих с разносом 3 Гц. На приеме все они попадают в полосу частот, поставленную в соответствие переданному символу, и обрабатываются в процедуре БПФ (быстрого преобразования Фурье), длина входного ряда данных для которой соответствует длительности всего символа.
Алгоритмы приемника и передатчика акустического модема реализованы как дополнительные подпрограммы в основной рабочей программе станции. Простота этих алгоритмов позволила обеспечить их работу без повышения тактовой частоты процессора. Таким образом, в наиболее длительном и важном с точки зрения затрат энергии режиме дежурного приема акустический модем станции не повышает ее энергопотребления. В то же время применение алгоритмических способов увеличения дальности связи одновременно с заявляемым способом борьбы с замираниями, увеличило дальность уверенной работы системы связи с 400 м до 6 км без повышения мощности передатчика.
Таким образом, за счет расширения спектра передаваемого сигнала предлагаемое решение позволяет достичь повышения устойчивости канала передачи дискретных сообщений (повышение коэффициента исправного действия каналов связи, подверженных селективным замираниям) с использованием частотной манипуляции к замираниям без усложнения аппаратуры связи и без связанного с этим роста энергопотребления, то есть решить поставленную техническую проблему с достижением заявленного технического результата.