Моделирование канала передачи данных при использовании сигналов с расширенным спектром

2005

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№ 87

УДК621.396.98

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СИГНАЛОВ С РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРОМ

Е.А. Коверзнев

Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.

В данной статье рассматривается модель канала передачи данных с использованием сигналов с расширенным спектром. Анализируется вероятность битовой ошибки в канале при различных отношениях сигнал/шум и схемных решениях.

ВВЕДЕНИЕ

Передача информации с использованием сигналов с расширенным спектром обладает множеством преимуществ, одно из главных - это повышение устойчивости канала к воздействию различного рода помех. Применение такого рода сигналов в каналах связи гражданской авиации повысит достоверность передачи информации, что, в свою очередь, благоприятно повлияет на безопасность воздушного движения.

В данной статье представлена модель канала передачи данных с использованием сигналов с расширенным спектром на расстояние прямой видимости (100 км). Анализируется вероятность битовой ошибки в канале при различных отношениях сигнал/шум и схемных решениях.

Модель реализована на основе структуры канала передачи данных, изображенного на рис. 1. Процесс передачи информации разбивается на следующие этапы:

- передаваемое сообщение разбито на 2 блока по 250 бит (сообщение 1 и сообщение 2), каждый из которых передается по отдельному каналу. Сообщение 1 передается I каналу, сообщение 2 - Q каналу. Скорость передачи каждого сообщения 250 бит /с;

- в обоих каналах передаваемые данные кодируются кодом с исправлением ошибок (сверточное кодирование), а также выполняется операция сверточного чередования (интерливинг). Поток данных со скоростью 250 бит/с кодируется с частотой 2 символа на бит, следовательно, скорость передачи символов на выходе кодера составляет 500 бит/с;

- расширение спектра производится путем сложения по модулю 2 закодированной информации с кодовыми последовательностями XI и XQ (1,023 МГц). Принцип формирования XI и XQ будет изложен ниже;

- сигналы с выхода I и Q каналов в квадратуре модулируют сигнал несущей частоты;

- в канале связи передаваемый сигнал подвергается воздействию белого шума;

- в приемнике производится обратное преобразование.

Модель была реализована с использованием встроенных функций МЛТЬЛВ. Модель выполнена в реальном времени, с допущением, что кодовая синхронизация выполнена. Битовая синхронизация не требуется, так как задержка на расстояние прямой видимости (100 км) составляет 300 мкс при длительности передаваемого бита 2 мс.

Рис.1. Канал передачи данных

ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

Г енератор кодов (рис. 2). Г енерирует 2 псевдослучайные кодовые последовательности XI и XQ (коды Голда). Каждая из последовательностей получается суммированием по модулю 2 двух 1023- разрядных линейных последовательностейG1 и G2; (1023 символов на 1 мс.). Последовательности Gi генерируются 10-разрядными регистрами, аналогичными используемым

в генераторе кода GPS канала стандартной точности (C/A)[1]. Образующие полиномы имеют следующий вид:

G1 = 1 + X3 + X10

G 2 = 1 + X2 + X3 + X6 + X8 + X9 + X10

Рис. 2. Генератор кодов

(^) - элемент выполняет функцию сложение по модулю 2.

Сообщение 1 (2). Генератор 0 и 1 с равномерным законом распределения. Генерирует последовательность со скоростью 250 бит/с.

Кодер. На рис. 3 изображен сверточный кодер со степенью кодирования п/к=1/2 и длиной кодового ограничения К=7.

G2

G1

Рис. 3. Сверточный кодер

Интерливинг. Представляет собой блок свёрточного чередования [2], состоящий из 3 линеек. Вторая и третья линейки содержат 5-разрядный и 10-разрядный регистры сдвига соответственно.

Модулятор ОРБК . Осуществляет квадратурную манипуляцию сигнала несущей частоты

согласно алгоритму, представленному в таблице.

Таблица

Значение фазы сигнала несущей частоты I 0

0о 0 0

1 Ю О о 1 0

+90о 0 1

180о 1 1

Канал связи. Производит добавление белого шума с равномерным законом распределения к передаваемому сигналу.

Демодулятор ОРБК. Производит демодуляцию переданного сигнала. В модели применён демодулятор с жёсткой схемой принятия решения.

Деинтерливинг. Производит операцию, обратную интерливингу [2].

Декодер. Осуществляет декодирование принятого сообщения по алгоритму Витерби с исправлением ошибок. В модели применён декодер с жёсткой схемой принятия решения.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

С использованием данной модели была получена вероятность битовой ошибки (В ГО.) в канале передачи данных для различных схемных решений:

- с использование интерливинга и кодирования;

- с использование кодирования, без интерливинга;

- без использования интерливинга и кодирования.

Соотношение сигнал/шум ( £ / N ) в канале изменялось в диапазоне от -25 дБ до -10 дБ. Сообщение 1 (2) передавалось до получения 5 ошибок для каждого значения £ / N.

Переход от отношения сигнал/шум к отношению энергия бита/шум осуществляется, используя следующее выражение:

Еъ /N0 = (Е, /N0)/^ М = (£/ЮОр /1св2 М,

где Е!1 / N0 -отношение сигнал/шум;

М=4 для квадратурной фазовой манипуляции;

£ / N - отношение сигнал/шум;

Ор = ЯсИ /Я = 1,023 *106 / 500 - коэффициент расширения спектра.

Вероятность битовой ошибки вычисляется с использованием встроенной функции МЛТЬЛВ - ЬегеопйШ:.

На рис. 4 представлена зависимость вероятности битовой ошибки (ВГО) от отношения Еъ / N0 при различных схемных решениях.

Рис. 4. Вероятность битовой ошибки

Из графиков, изображенных на рис. 4, можно сделать следующие выводы:

- применение сверточного кодирования в канале передачи данных при фиксированном значении вероятности битовой ошибки позволяет уменьшить требуемое значение Еъ /Ы0 (ВГО.=10"4 - А(ЕЬ /N0) = 2,5дБ);

- применение интерливинга не уменьшает соотношения Еъ / Ы0 при воздействии широкополосной помехи (графики «с применением кодирования без интерливинга» и «с применением кодирования с интерливингом» совпадают). Интерливинг позволяет уменьшить вероятность ошибки при воздействии узкополосной помехи.

Теоретически вероятность битовой ошибки в канале с квадратурной фазовой манипуляцией без кодирования можно вычислить, используя следующие выражения:

РЕ = 20(^2^ / N)(вр /2) мп(р / 4)) = 20(^2^ / N0 мп(р / 4)):

РЬ » РЕ /1о§2 М = РЕ /2,

где РЕ - вероятность символьной ошибки;

Ръ - вероятность битовой ошибки;

0(х) = Г ехр(-и2 / 2) / -\l2pdu - Гауссов интеграл ошибок. [2]

Выражение Ръ » РЕ /2 справедливо при относительно большом отношении Еъ / N0.

На рис. 5 представлен график Ръ. Сравнивая график функции ВГО. «без кодирования и интерливинга» (рис.4.) с графиком функцииРъ (рис.5) можно заметить, что при большом отноше-

нии Еъ / Ы0 графики практически совпадают. Из чего можно сделать вывод, что модель адекватна представленной структуре канала.

10°

10

10''

10'

10'

---------------

1 г і г

1 ' •

1 1 1 1

zsc 1111

. _ H h i4^ _ _ _

._n г -V -

— H — — — — — — — — — — — I- — — — — — — — — — — —

J L JL- - J L 11 11 11 11 11 11 ii

-

' “ n г L_! г

1 1 1 1 1 1

- n г

. _ J L

j jL” L

1 1 i T і

1 1 1 \ 1

0 5 10 15 20 25 30

ЕЬМо йЬ

Рис. 5 Теоретическая вероятность битовой ошибки

В случае использования в демодуляторе и в декодере схем с мягким принятием решения, при заданной вероятности ошибки на один бит выигрыш в отношении Еь / Ы0 составляет дБ порядка 4-5 дБ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стандарты и Рекомендуемая практика (БАЕРБ) для глобальной спутниковой навигационной системы, 1999.

2. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е ид.

- М.: Вильямс, 2003.

MODELING OF CHANNELS TRANSIT DATES BY USING SIGNALS WITH WIDEBANELS SPECTER RUMS

Koverznev E.A.

A model of data channel utilizing spread spectrum signals is investigated. Bit error rate versus signal-to-noise ratio using different algorithms is analyzed.

Сведения об авторе

Коверзнев Евгений Анатольевич, 1977 г.р., окончил РАТКГА (1997), окончил МГТУ ГА (2003), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - методы и средства спутниковой навигации.