Повышение помехоустойчивости в цифровых системах передачи информации с радиоканалами

УДК 621.397

П.В. Мартынов, М.С. Светлов ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С РАДИОКАНАЛАМИ

Проводится анализ принципа тактовой синхронизации для одночастотных сетей. Показано преимущество применения принципа самосинхронизации на базе корректирующих самосинхронизирующихся кодов и на базе динамических запоминающих устройств (ДЗУ). Предложен вариант реализации принципа самосинхронизации с использованием n-позиционного ДЗУ, позволяющий существенно повысить

помехозащищенность сетей.

Цифровые сети, помехоустойчивые коды, синхронизация,

самосинхронизирующиеся коды, динамическое запоминающее устройство

P.V. Martynov, M.S. Svetlov INCREASING OF ANTIJAMMING ABILITY IN DIGITAL TRANSMISSION SYSTEMS WITH RADIO CHANNELS

This article analyzes the principle of clock synchronization for singlefrequency networks. It is demonstrated the advantage of application of the principle of self-synchronization based on self-synchronizing correcting codes and of the principle based on the dynamic memory devices. For increasing the immunity of networks it is suggested a variant of the principle of selfsynchronization using n-positional dynamic memory device.

Digital networks, jam-resistant codes, synchronization, self-synchronizing codes, dynamic memory device

Важнейшей задачей разработчиков информационных сетей является повышение уровня помехозащищенности передаваемой информации. При подготовке потока данных к передаче по каналу связи информация подвергается различным видам обработки, основными из которых являются кодирование и модуляция. В современных цифровых сетях и системах с радиоканалами для повышения помехоустойчивости широко используются корректирующие коды в режимах исправления ошибок. Эти коды способны исправлять наиболее правдоподобные комбинации ошибок, возникающих в кодовых словах в результате воздействия на них определенного вида помех [1]. Кроме того, широкое распространение получили множественные методы кодирования, реализуемые применением нескольких корректирующих кодов, как правило, разных классов (каскадное кодирование).

Для увеличения помехозащищенности сетей с радиоканалами все чаще используются недвоичные коды. Однако использование таких кодов в ряде случаев затруднено вследствие ограниченных возможностей элементной базы, находящейся в распоряжении разработчиков.

Одним из основных способов повышения помехозащищенности цифровых сетей с радиоканалами является использование одночастотных сетей (SFN - Single Frequency Network), преимуществом которых является возможность передачи сигнала несколькими или многими передатчиками передающих терминалов на одной несущей частоте, что позволяет экономить предоставляемый радиочастотный ресурс. Применение COFDM модуляции (Coded

Orthogonal Frequency Division Multiplexing - кодированное ортогональное частотное мультиплексирование) в подобных системах одновременно позволяет уменьшить и влияние эхосиг-налов, возникающих из-за отражений и переотражений сигнала в радиоканале.

Ключевой задачей при передаче и приеме сигналов в одночастотной сети является обеспечение синхронной работы передатчиков. Синхронизация является основным средством обеспечения корректной работы сети. Задача обеспечения надежной синхронизации в сетях с последовательным интерфейсом является одной из наиболее важных и сложных при синтезе и построении цифровых сетей.

При объединении нескольких цифровых одночастотных сетей в единую информационную сеть возникает необходимость в обеспечении стабильности синхронизирующего сигнала, управляющего элементами цифровой телекоммуникационной сети. Так, при тактовой частоте, равной 10 МГц, отклонение значения частоты сигнала должно иметь величину не более 1 Гц. При частоте колебания фазы синхронизирующего сигнала более 10 Гц происходит дрожание синхросигнала (джиттер), а менее 10 Гц - блуждание (вандер), что существенно ухудшает качество приема информации.

Если в передающих и приемных терминалах сети частоты источников тактовой синхронизации не совпадают, то за определенное время накапливается ошибка, равная разности моментов прихода (tn) n-го импульса цифровой последовательности и генерации (Q n-го импульса источником тактовой синхронизации принимающего терминала. Когда ошибка становится соизмеримой с длительностью тактового интервала, происходит пропадание импульса, либо формирование лишнего (слип-эффект, или проскальзывание), что приводит к срыву синхронизации.

Качество синхронизации можно оценить периодом времени, за который накопленная ошибка приводит к срыву тактовой синхронизации, или частотой проскальзываний в единицу времени. Учитывая, что отдельные участки сложной сети могут синхронизироваться от источников различной точности, важно определить предельно допустимые значения частоты слипов. В соответствии с руководящими техническими материалами Министерства связи и массовых коммуникаций РФ системы тактовой синхронизации классифицируются по четырем режимам: синхронный - слипов фактически нет; псевдосинхронный - допускается 1 слип/70 дней; плезиохронный - 1 слип/17 часов; асинхронный - 1 слип/7 с.

Существенный выигрыш в надежности информационных сетей дает применение са-мосинхронизирующихся кодов. Кодирование с использованием самосинхронизирующихся кодов заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются само-синхронизирующиеся коды, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного символа кодовой последовательности. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых символов данных в заданном канальном алфавите.

При использовании самосинхронизирующихся кодов в системах и сетях с последовательным интерфейсом отпадает необходимость в специальных синхросигналах. К сожалению, реализация самосинхронизирующихся кодов и систем на их основе имеет целый ряд ограничений, сдерживающих их применение. Как показал анализ возможных способов обеспечения самосинхронизации, лучшие результаты обеспечивает применение принципа самосинхронизации с распределителями на базе динамических запоминающих устройств (ДЗУ), что приводит к существенному повышению уровня помехозащищенности систем и сетей. Использование такого способа кодирования позволяет представить двоичные символы, подлежащие передаче по радиоканалу, в виде серий (кодовых импульсных последовательностей) жестко связанных между собой временными задержками бесконечно малых по длительности импульсов, величины интервалов между которыми кратны значению At (как правило, в наносекундном диапазоне).

Структурная схема кодирующего устройства с п-позиционным распределителем на базе ДЗУ приведена на рис. 1. Блок управления в данной схеме выполняет следующие функции: определение моментов подачи кодовых символов на вход ДЗУ; определение закона коммутации выходов ДЗУ; осуществление коммутации элементов &1 и &0 формированием сигнала 1Т, или 1,,0,, в зависимости от текущего входного символа.

Сигнал на нулевом выходе ДЗУ формируется с задержкой Дї0 по отношению к входному сигналу ДЗУ. Для обеспечения корректной работы ДЗУ интервалы Дї должны быть строго постоянными, и при этом должно выполняться условие некратности величины задержки Дї0 интервалу времени Дї [2]. Сигналы с выходов ДЗУ проходят через коммутатор. Сигналы с выходов коммутатора в соответствии с законом, задаваемым блоком управления, управляют схемами, формирующими кодовые серии для «0» и «1» на выходе кодирующего устройства.

Структурная схема декодирующего устройства представлена на рис. 2. Управляющий сигнал, входящий в состав принимаемого сигнала, подается на блок управления, обеспечивающий закон коммутации, аналогичный, реализованному в схеме кодирующего устройства.

Полином выходного сигнала кодирующего устройства относительно фиктивной переменной х может быть записан в виде:

у(х) = 2 ап-іх= а

:-1

х--1 + а

-2

х +... + а0

і=1

Рис. 1. Реализация кодирующего устройства с п-позиционным распределителем на базе ДЗУ

Коэффициенты данного полинома, исходя из принципа работы устройства, могут быть вычислены по формуле:

= А^о +

Полином выходного сигнала декодирующего устройства:

У( х) = ЕІ1 Ь,мх'-і = Ь.-1 х- + Ъ_, х--2 +...+Ь„.

Коэффициенты данного полинома, исходя из принципа работы устройства, могут быть вычислены по формуле:

Ь{ = А?0 + /А?.

Исходя из того, что выходы ДЗУ декодирующего устройства нумеруются в последовательности, обратной последовательности номеров выходов ДЗУ кодирующего устройства, справедливы соотношения:

а--к = ьк, к = а- - ь

Кодовая серия

{"OV"l"}

Управляющий

сигнал

Рис. 2. Реализация декодирующего устройства с п-позиционным распределителем на базе ДЗУ

Срабатывание логического элемента «И» на выходе декодирующего устройства (рис. 2) происходит в моменты совпадения импульсов с выходов ДЗУ, номера которых в кодовой импульсной последовательности совпадают с номерами выходов ДЗУ, на которых они появляются. Таким образом, использование устройств кодирования и декодирования на базе ДЗУ позволяет осуществлять передачу информации по радиоканалам в одночастотных сетях без использования специальных синхросигналов, что позволяет существенно повысить помехозащищенность системы.

При использовании кодов с повышенным основанием, когда канальный алфавит содержит, в общем случае, K рабочих символов, кодирующее устройство формирует соответственно K кодовых серий (каждая с выхода соответствующей цепи «ИЛИ» - «И»); блок управления формирует K управляющих воздействий; в соответствии с этим преобразуется и схема декодирующего устройства.

Как показало моделирование таких систем, они способны надежно работать в условиях действия в радиоканалах помех большой интенсивности, когда число импульсов помех за базовое время формирования рабочих кодовых слов информационного сигнала существенно превышает 1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Питерсон У. Коды, исправляющие ошибки / У. Питерсон, Э. Уэлдон, пер. с англ.; под ред. Р.Л. Добрушина и С.И. Самойленко. М.: Мир, 1976.

2. Светлов М.С., Спиридонов С.В. Об одном способе исключения защитных интервалов в системах цифрового телерадиовещания стандарта DVB // Проблемы управления, передачи и обработки информации АТМ-2011 : сб. трудов II Межд. науч. конф. Т.2. 2012. С.43-46.

Светлов Михаил Семенович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.

Мартынов Павел Владимирович -

аспирант кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.

Статья поступила в редакцию 7.03.12, принята к опубликованию 12.03.12