Оценка показателей радиоэлектронной защиты систем связи с кодовым разделением каналов

УДК 621.396.96

ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ЗАЩИТЫ СИСТЕМ СВЯЗИ С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

Н.А. Самоцвет

Приводится описание взаимосвязи технических и информационных показателей, применяемых для количественной оценки радиоэлектронной защиты систем связи с кодовым разделением каналов. Дана оценка точности исходных данных для расчета показателей с учетом специфики принципов построения цифровых систем связи с кодовым разделением

Ключевые слова: показатели радиоэлектронной защиты, системы связи с кодовым разделением каналов, плотность распределения вероятностей

В условиях усложнения радиоэлектронной и электромагнитной обстановки задача повышения помехоустойчивости цифровых каналов связи становится все более актуальной. Одним из основных способов повышения помехоустойчивости в современных средствах связи является применение широкополосных сигналов (ШПС). С этой целью в них реализуется модуляция несущей фазоманипулиро-ванной псевдослучайной последовательностью (ПСП). Оптимальная обработка таких сигналов в приемных устройствах со сжатием во времени позволяет увеличить отношение сигнал-помеха на выходе приемника. Широкополосные технологии находят все более широкое применение в системах связи с кодовым разделением каналов (CDMA). В настоящее время для оценки радиоэлектронной защиты (РЭЗ) систем связи применяют большое количество показателей. Наряду с техническими параметрами электромагнитной совместимости передатчиков и приемников РЭС цифровой радиосвязи общепринятыми для оценки помехозащищенности систем радиосвязи техническими показателями являются отношение сигнал-шум, сигнал-помеха, защитное отношение, которые определяют опытным путем при испытании средства связи на помехозащищенность. Применительно к цифровым средствам связи более удобным техническим показателем помехозащищенности является BER (средняя вероятность ошибки на бит). Указанные показатели связаны друг с другом. На практике в процессе испытаний средств связи на помехозащищенность определяют все указанные показатели различными экспериментальными методами. Испытания РЭС на радиоэлектронную защиту включают также исследование их помехозащищенности и оценку качества (опасности) преднамеренных и непреднамеренных радиопомех различного вида. При этом помехозащищенность системы радиосвязи и эффективность системы радиоэлектронного подавления оценивают общими показателями качества (указанными выше).

На основе полученных инструментальными методами технических показателей помехозащищенности рассчитывают информационные показатели помехозащищенности, например, относительные информационные потери, вероятность передачи заданного объема цифровой информации с требуе-

Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, аспирант, ОАО «НТЦ РЭБ», старший научный сотрудник, тел. 8-951-87187-04

мым качеством или вероятность радиоэлектронного подавления цифрового канала связи помехой с заданными параметрами, дальность радиоэлектронного подавления канала связи и др.

Целью статьи является исследование взаимосвязи показателей РЭЗ в иерархической системе показателей: отношение сигнал-шум до цифровой обработки отношения сигнал-шум после цифровой обработки сигнала в канале связи и уровня ошибок BER информационных потери в канале при воздействии шумов и помех применительно к системам связи с кодовым разделением каналов.

Технические показатели РЭЗ и методы их оценки (первый уровень иерархии).

Широко применяемый технический показатель качества цифрового канала - отношение .. Е^ / Nq

- это нормированный вариант отношения сигнал-шум (SNR - Signal Noise Ratio) на входе приемника цифрового канала связи, где энергия бита определяется как Е^ = ST , где S - мощность, с которой передается бит информации в течение времени его передачи T . N - это спектральная плотность мощности шума в полосе, соответствующей сим-

лг N

вольной скорости передачи, ^ = — - мощность

0 W

шума N в широкой полосе частот, соответствующей скорости передачи. Битовая скорость определяется как R = —.

T

Показатель Ес / Nq .- это отношение сигнал-

шум на выходе приемника цифрового канала связи.

Указанные показатели определяются экспериментально с помощью современных цифровых измерительных приемников, анализаторов спектра и векторных анализаторов цепей [1]. Аппаратурное обеспечение энергетических показателей помехозащищенности является довольно сложным, поэтому на практике часто применяют экспериментально-расчетные методы их определения на основе соотношения

Eb / Nq = 10lg

Среди показателей, характеризующих отношение мощностей, также широко используется отношение несущая/шум, которое показывает, во сколько раз мощность С принимаемой модулированной высокочастотной несущей на выходе приемного фильтра больше мощности шума N порождаемого совместным действием всех источников шума данного тракта:

С / N = Еъ / -10/ ¡ст),

где /с - символьная скорость;

т = - коэффициент мапинга (число

бит на символ информации).

Технический показатель BER определяется экспериментально либо рассчитывается через энергетическое отношение по формуле:

BER = Q( t2

i ю "V

где Q(x) = — J e 2 dt 2ж x

SNR

функция ошибок

(ейс).

Выражение для расчета вероятности ошибки (3) используется также и при воздействии помех в полосе модулирующих частот. В случае когерентной демодуляции широкополосных сигналов с кодовым разделением с учетом (3) имеем

1 I E

Pe = - erfc( \

e 2 f Ч N

с - /• /- \Pcfpn с =- erfc

Vc

где N (/) - спектральная плотность мощности помехи в полосе частот /рП , Рс , р - мощности

сигнала и помехи, соответственно. Из анализа (4) следует, что вероятность ошибки в системе с расширенным спектром определяет отношение мощности сигнала к эффективной мощности помехи. Степень ослабления узкополосной помехи определяется отношением частоты следования символов к скорости передачи, поэтому выигрыш при

обработке может быть определен как

f

pn

f

. Выиг-

рыш при обработке формально определяется как отношение сигнал-помеха на выходе демодулятора к отношению сигнал-помеха на входе приемника [4]

(Рс / Р1)вых

V =

(ръ /Р )вх

Информационные показатели РЭЗ

Наиболее распространенными на практике информационными показателями РЭЗ РЭС являются вероятность ошибочного приема символьной или пакетной информации и относительные информационные потери.

Вероятность ошибочного приема сообщения (пакета) (PER, Package Error Rate) определяется по формуле [2]:

n

PER = £ W (1 - Рош )n-v, (6) v=t+1

где Рош - вероятность ошибки байта на входе декодера;

n - длина кодовой последовательности;

t - число гарантированно исправляемых байт кодом

Рида-Соломона.

Для увеличения помехоустойчивости сигналов в системах с кодовым разделением применяют помехоустойчивое кодирование. В качестве кода, исправляющего ошибки, часто используется код Рида-Соломона.

В работе [3] предложен удобный информационный показатель помехозащищенности цифровых РЭС связи: относительные информационные потери (ОИП) на выходе

ц /ок (q, M) = expl-Bj (M)q2}, (7) для ЦРК с ортогональными сигналами и некогерентной обработкой:

/о Н (q, M) = exp{-B2 (M)q2}, (8) где B (M), B2 (M) - параметры упорядочения характеристик ОИП ЦРК, которые соответствуют М-позиционным сигналам;

q - отношение сигнал-помеха (по напряжению) на

входе приемника цифрового радиоканала. Показатель помехозащищенности связан с энергетическим отношением сигнал-шум через относительные потери информации следующим образом:

h = - = [lny,. (q = Г) -,

q ln /тр ,

где - параметр, зависящий от вида обработки

сигнала в ЦРК связи; у е {уок , У0н } . К числу информационных показателей РЭЗ относится также дальность радиоэлектронного подавления цифрового радиоканала которую определяют по формуле:

Rn =

(ln//ln/тр )1/-PnGnGnPn^^RC

р с с

где у определяется по формулам (6) или (7);

у - требуемое значение безразмерного показателя

ОИП;

Сп - КНД антенны передатчика помех, раз; Рп - мощность передатчики помех (средняя), Вт;

- КНД антенны приемника средств связи в

направлении на передатчик помех, раз; Т] - показатель, учитывающий особенности распространения радиоволн на трассе; £ - коэффициент поляризационных потерь;

2

^ - дистанция связи, км;

Рс - мощность передатчика средств связи (средняя), Вт;

Ос - КНД антенны передатчика средств связи, раз;

G

ПРС

- КНД антенны приемника средств связи, раз.

Оценка точности иерархически связанных показателей РЭЗ.

Как следует из анализа применяемых на практике показателей РЭЗ, они связаны друг с другом и имеют иерархический характер. При этом точность рассчитываемых информационных показателей определяется в первую очередь точностью измерений таких технических показателей, как SNR и BER. В работе [5] предложен новый методический подход для повышения точности оценки технических и информационных показателей РЭЗ. Сущность его заключается в оценке моментных характеристик законов распределения мгновенных значений амплитуд сигналов и помех с помощью современной цифровой измерительной техники. Это существенно по-

вышает качество современных методов оценки показателей РЭЗ в процессе испытаний цифровых радиоканалов на эффективность и помехоустойчивость. В определяемом экспериментально показателе BER отношение спектральных плотностей мощности сигнала и шума заменяется отношением вида

SNR=,

рп

где рп (А) - плотность распределения вероятностей

(ПРВ) мгновенных значений амплитуд помехи в частотной полосе приема;

рс (А) - ПРВ мгновенных значений амплитуд цифрового сигнала (в общем случае также имеющего случайную компоненту) в той же частотной полосе приема.

Пример получения показателя SNR в виде отношения ПРВ мгновенных амплитуд сигнала и шума, распределенных по нормальному закону, но с различными параметрами распределения, приведен на рисунке.

а) ПРВ сигнала и шума

б) Результат, полученный по формуле (11) Пример статистической оценки показателя РЭЗ

В работе [5] показано, что применение такого статистического методического подхода для оценки первичных показателей РЭЗ, в частности, SNR, позволяет повысить точность их оценки на 30 - 40%. При этом повышается достоверность результатов расчета информационных показателей РЭЗ.

Таким образом, анализ взаимосвязи технических и информационных показателей РЭЗ цифровых систем связи с кодовым разделением каналов показывает, что все их многообразие можно свести к базовым показателям (SNR, BER, PER) и производным от них (относительные информационные потери, дальность радиоэлектронного подавления), а качество их оценки можно повысить путем измерения плотностей распределения вероятностей мгновенных амплитуд сигналов, шумов и помех.

Литература

1. Бененсон, Л.Д. Рассеяние электромагнитных волн антеннами [Текст] / Л.Д. Бененсон, Я.Н. Фельд // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. 33. - № 2. - С. 225 -245.

2. Воскресенский, Д.И. Эффективная поверхность рассеяния остронаправленных антенн и антенных решеток. Вопросы снижения эффективной поверхности рассеяния [Текст] / Д.И. Воскресенский, Л.И. Пономарев, А.В. Шаталов; под ред. П.Я. Уфимцева. - М.: ИРЭ РАН. - 1989. - С. 117 - 125.

3. Панычев, С.Н. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Измерительная техника. - 1995. - № 5. - С. 56 -58.

4. Гладышев, А.К. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС [Текст] / А.К. Гладышев, Е.Ф. Иванкин, С.Н. Панычев // Измерительная техника. - 1995. - № 2. - С. 48 - 50.

5. Еремин, В.Б. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток [Текст] / В.Б. Еремин, С.Н. Панычев // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - № 8. - С. 61 - 70.

6. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенны на энергетические параметры спутниковых систем связи [Текст] / С.Н. Панычев // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. - 2001. - № 3-4. - С. 74 - 79.

7. Панычев, С.Н. Косвенный метод определения структурной составляющей рассеяния антенны [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Радиопромышленность. -М.: НИИЭИР. - 1993. - С. 60 - 62.

8. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния измерительных антенн на точность измерения плотности потока энергии электромагнитного поля [Текст] / С.Н. Панычев, П.М. Мусабеков // Метрология. -1998. - Т. 6. - С. 36 - 41.

9. Панычев, С.Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радиоволн на антеннах СВЧ [Текст] / С.Н. Панычев // Антенны. - 2001. - №. 5(51). - С. 68 - 70.

10. Гладышев, А.К. Экспериментально-расчетная модель оценки характеристик рассеяния апертурных антенн [Текст] / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Метрология. - 1993. - № 11. - С. 24 - 28.

11. Гладышев, А.К. Оценка возможности применения измерительных антенн в качестве рабочих мер ЭПР [Текст] / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Измерительная техника. - 1993. - № 2. - С. 57 - 59.

12. Ибрагимов, Н.Г. Методика и результаты эксперимента по исследованию характеристик отражения рупорной антенны в широком диапазоне частот [Текст] / Н.Г. Ибрагимов, С.Н. Панычев, В.А. Савинов. // Антенные

измерения: сб. науч. трудов. Ереван: ВНИИРИ, 1990. - С. 191 - 192.

13. Кузнецов, А.А. Характеристики рассеяния линейных вибраторных решеток Ван-Атта [Текст] / А.А. Кузнецов // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - № 5. - С. 37 - 43.

14. Формализованный подход к генерации рациональных вариантов развития системы испытаний техники радиоэлектронной борьбы [Текст] / С.Н. Панычев. Д.М. Бывших, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2014. - Т. 10. - № 3.1. - С. 71-75.

15. Волков, А. В. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области [Текст] / А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 4. - С. 12-14

16. Оптимальный прием и обработка радиосигналов в нелинейном канале ВЧ-облучения для дистанционного снятия акустической информации [Текст] / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 5. - С. 94-98

17. Расчетно-инструментальный метод анализа прохождения случайного процесса через нелинейную цепь [Текст] / С.Н. Панычев, М.Ф. Пашук, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.Е. Ломовских // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. -№ 5. - С. 109-113.

18. Экспериментально--расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / В.М. Питолин, С.Н. Паны-чев, Н.А. Самоцвет, С.А. Акулинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2013. - Т. 9. - №. 6.3. - С. 45-48.

18. Питолин, В.М. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров [Текст] / В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.В. Волков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - №.5-1. - С. 34-36.

20. Панычев, С.Н. Алгоритм формирования имитационных помех с заданными спектральными и информационными свойствами [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, С.В. Канавин // Радиолокация, навигация, связь (RLNC- 2013): труды XIX Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж, 2013. - Т. 3. - С. 2012-2017.

21. Панычев, С.Н. Когнитивный алгоритм корреляционно-фильтровой обработки сложных сигналов на фоне гауссовых шумов [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет / Радиолокация, навигация, связь (RLNC-2014): труды XX Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2014. - Воронеж. - Т. 4. - С. 2000-2008.

22. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / С.Н. Панычев, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, С.В. Суровцев // Интеллектуальные информационные системы: материалы ежегодной Всерос. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2014. - С. 4-8.

23. Панычев, С.Н. Методы формирования и обработки радиопомех с учетом их статистических свойств на основе технологий векторной генерации и анализа радиосигналов [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, Е.А. Сытник // Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО: материалы IV науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - М.: ГСКБ «Алмаз-Антей», - 2013. - С. 300306.

24. Авдеев, В.Б. Особенности современных методов моделирования приема и обработки случайных радиосигналов на фоне шумов и помех [Текст] / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет // Техника и безопасность объектов уголовно-исполнительной системы: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж: Воронежский институт ФСИН России, 2013. - № 4. - С. 90-97.

25. Панычев, С.Н. Моделирование приёма и обработки случайных радиосигналов и помех [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: материалы XII Всерос. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ. - 2013. - С. 18-19.

Воронежский государственный технический университет

Центр системных исследований и разработок филиал ОАО "Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы", г. Воронеж

INDICATORS ASSESSMENT OF RADIO-ELECTRONIC PROTECTION OF COMMUNICATION

SYSTEMS WITH CODE DIVISION OF CHANNELS

N.A. Samotcvet

The description of interrelation of the technical and information indicators applied to a quantitative assessment of radio-electronic protection of communication systems with code division of channels is provided. The assessment of accuracy of basic data for calculation of indicators taking into account specifics of the principles of creation of digital communication systems with code division is given

Key words: Indicators of radio-electronic protection, communication system, code division of radio channels, density of probabilities distribution