Применение шумоподобных сигналов при передаче команд по каналам управления радиосвязи

УДК 517.9

ПРИМЕНЕНИЕ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ КОМАНД ПО КАНАЛАМ УПРАВЛЕНИЯ РАДИОСВЯЗИ

С.Н. НАЗАРОВ, А.А. ШАГАРОВА

Статья представлена доктором технических наук, профессором Васильевым К.К.

В работе проанализированы пути решения проблемы нехватки пропускной способности в радиосетях декаметрового диапазона, в том числе и военного назначения. Настоящая работа посвящена разработке алгоритма функционирования адаптивных систем радиосвязи с одновременной передачей в одном канале информационных сообщений и команд управления режимами работы радиостанцией, а также методике оценки параметров шумоподобных сигналов, используемых для переноса команд управления.

Предлагается для увеличения пропускной способности канала служебную информацию, управляющую режимами работы радиостанции, передавать не вперемешку с информационными блоками, а одновременно, в общей полосе канала. Для переноса служебной информации использовать шумоподобные широкополосные сигналы.

Ключевые слова: шумоподобные сигналы, адаптивные системы радиосвязи, одновременная передача информационных сигналов и сигналов управления.

Введение

При использовании радиостанции в режиме приема и передачи информации от ПЭВМ возникает необходимость дистанционного управления ее режимами работы, скоростью передачи, мощностью излучения, что требует принятия определенных технических решений по разработке специальных алгоритмов управления как сопрягаемой, так и удаленной радиостанцией.

Предложено несколько способов дистанционного управления радиостанцией, однако все они требуют использования дополнительных канальных или временных ресурсов, так как передача команд управления ведется либо по отдельно выделенной линии дистанционного управления, либо в составе информационного канала, но при этом связана с прерыванием обмена оперативной информации между корреспондентами, а следовательно, с неминуемыми перерывами связи [1].

В работе предлагается один из путей решения проблемы, основанный на передаче в общей полосе полезного сигнала и команд управления. Это возможно, если в качестве команд управления использовать шумоподобные сигналы. Корреляционная функция и спектр плотности этих сигналов близок к аналогичным характеристикам квазибелого шума. Шумоподобные сигналы относятся к классу сложных сигналов, база которых B=2FT>>1.

Анализ использования шумоподобных сигналов в технике радиосвязи

В работе [1] предлагается передавать в общей полосе канала связи информационные сигналы и синхронизирующую последовательность. Можно развить эту идею и передавать вместо синхронизирующей последовательности смысловую информацию, в частности, команды управления режимами работы радиостанции.

Для получения шумоподобных сигналов предлагается использовать технологию уширения спектра (Spread Spectrum, SS) [2]. Данная технология подразумевает, что первоначально узкополосный (в смысле ширины спектра) служебный сигнал при передаче преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире спектра первоначального сигнала, то есть спектр сигнала как бы «размазывается» по частотному диапазону (рис. 1).

Рис. 1. Преобразование спектра исходного служебного сигнала

Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение спектральной энергетической плотности сигнала - энергия сигнала также «размазывается» по спектру. В результате максимальная мощность преобразованного сигнала оказывается значительно ниже мощности исходного сигнала. При этом уровень служебного сигнала может в буквальном смысле сравниваться с уровнем естественного шума. В результате сигнал становится в каком-то смысле «невидимым» - он просто теряется на уровне естественного шума или информационного сигнала.

Технология уширения спектра была предложена как направление решения проблемы одновременного совместного использования радиостанций в одном частотном диапазоне, не мешающих друг другу. Существует несколько различных технологий уширения спектра, однако для решения данной проблемы предлагается использовать технологию уширения спектра методом прямой последовательности (Direc Sequence Spread Spectrum, DSSS).

Сущность технологии DSSS представлена на рис. 2.

Рис. 2. Диаграммы формирования DSSS последовательности

При потенциальном кодировании биты служебной информации B(t) - логические нули и единицы - передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульс длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса. Поэтому чем меньше длительность служебного бита, тем больший спектр занимает такой сигнал.

Для преднамеренного уширения спектра первоначально узкополосного сигнала в технологии DSSS в каждый передаваемый служебный бит встраивается последовательность так называемого заполнения с длительностью импульса Т в несколько раз меньше длительности служебного бита. Поскольку длительность одного элемента заполнения в п раз меньше длительности служебного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в ^раз

t

t

t

t

больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в п раз.

Элементы заполнения, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами, а результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума.

Использование шумоподобных сигналов в каналах дистанционного управления

Согласно предлагаемому методу, служебная информация 3(1), которая (при цифровой связи) также представляет собой последовательность импульсов, но значительно большей длительности, перемножается с псевдослучайной последовательностью, как показано на рис. 3. Полученный шумоподобный сигнал 2(1) суммируется с основным полезным сигналом и передается в канал связи.

Рис. 3. Структурная схема датчика информации

Передаваемый сигнал У(1) можно представить в виде

Y

где £() - основной сигнал; 2(1) - шумоподобный сигнал.

Из рисунка видно, что полезный сигнал $>({) для служебной информации 2(1) в этом случае играет роль мощной помехи еще до передачи в канал связи. Полученная последовательность 2(1) является комбинационной, она по своим “внешним” свойствам, т.е. по ширине спектра и виду автокорреляционной функции, практически не отличается от исходной ПСП, но несет в себе полезный сигнал. При условии линейной независимости или ортогональности полезный сигнал и служебная информация могут передаваться одновременно. На приемной стороне, вычисляя функцию взаимной корреляции поступающего сигнала

т т

В

0 о

можно выделить составляющие основного и шумоподобного сигналов. Структурная схема приемника представлена на рис. 4.

В качестве корреляторов используются согласованные фильтры, задачей которых является не восстановление формы сигнала, искаженного шумом, а получение одного отсчета, по которому можно судить о присутствии или отсутствии на входе фильтра сигнала известной формы, т.е. либо основного 8(1), либо шумоподобного 2(1). Шумоподобный сигнал 2(1) перемножается на приеме с ПСП, образованной в приемнике и в точности совпадающей с ПСП,

используемой в передатчике. В случае корреляционного приема, когда В(1) становится рав-

ным 1, амплитуда “шумов”, т.е. полезного сигнала уменьшается примерно в N раз, причем величину N можно выбрать произвольно.

Y(t)n

z

S

=0-

СФп

Регистрирующее

устройство

—э»-к декодеру полезного сигнала

СФ

Регистрирующее устройство

ПСП

к декодеру служебной информации

Рис. 4. Структурная схема приемника

Заключение

Применение адаптивных радиолиний декаметрового диапазона характеризуется не эффективным использованием частотного диапазона из-за частых перерывов в связи для передачи команд управления взаимодействующими радиостанциями. Предлагаемый алгоритм передачи служебной информации на основе шумоподобных широкополосных сигналов обладает более высокой информационной эффективностью за счет одновременной передачи в одной полосе частот как информационного, так и служебного сигналов при условии обеспечения требуемой достоверности передачи информационных сообщений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Игнатов В.В., Килимник Ю.П., Никольский И.Н. Военные системы радиосвязи. - Л.: ВАС, 1989.

2. Зегерс А. Передача в общей полосе информационных сигналов и синхронизирующих последовательностей // Зарубежная радиоэлектроника. - 1970. - № 1. - С. 4-19.

3. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 2002.

4. Красс М.С. Математика для экономических специальностей. - М.: ИНФРА-М, 1999.

APPLICATION LIKELYNOISE SIGNALS AT TRANSFER OF COMMANDS ON RADIO COMMUNICATION CONTROL PATHS

Nazarov S.N., Shagarova A.A.

In work ways of a solution of a problem of shortage of throughput to radio networks декаметрового a range, including military-oriented are analysed. The present work is devoted working out of algorithm of functioning of adaptive systems of a radio communication with simultaneous transfer to one channel of reports of information and commands of management of operating modes radio station, and also a technique of an estimation of parameters likelynoise the signals used for carrying over of commands of management.

It is offered, for increase in throughput of the channel, the office information operating operating modes by radio station to transfer not mixed up with information blocks, and simultaneously, in the general strip of the channel. For carrying over of the office information to use likelynoise broadband signals.

Key words: likelynoise signals, adaptive telecommunication systems, simultaneous transfer information signals and control signals.

Сведения об авторах

Назаров Сергей Николаевич, 1967 г.р., окончил ВВАУС (1997), кандидат технических наук, доцент кафедры информатики УВАУ ГА, докторант кафедры телекоммуникаций УВАУ ГА, член РНТОРЭС им. Попова, автор 28 научных работ, область научных интересов - моделирование и разработка методов реализации ресурсов ретрансляционных узлов в гибридных сетях беспроводной передачи информации.

Шагарова Анна Александровна, окончила УВАУ ГА (2006), соискатель кафедры телекоммуникаций УВАУ ГА, член РНТОРЭС им. Попова, область научных интересов - моделирование и разработка алгоритмов разнесенного приема в гибридных сетях беспроводной передачи информации.