К вопросу надежности и скрытности работы широкополосных систем радиосвязи в загруженном диапазоне частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу надежности и скрытности работы широкополосных систем радиосвязи в загруженном диапазоне частот

Современные каналы радиосвязи находятся в условиях очень высокой плотности загрузки диапазона частот как полезных сигналов, так и разнообразных мешающих помех. Например, загрузка коротковолнового (КВ) диапазона в настоящее время столь велика, что во всем рабочем диапазоне, выбранном для передачи информации, не будет свободных мест, не подверженных воздействию сосредоточенных помех. Спектральная плотность таких помех неизбежно будет являться функцией частоты, что предопределяет тяжелую ситуацию в работе внедряемых перспективных в настоящее время широкополосных систем связи (ШПСС) [1-8]. В любом таком канале радиосвязи для его надежного функционирования приходится решать две основные проблемы:

1) обеспечение помехоустойчивости (помехозащищенности) передачи со-общений;

2) обеспечение высокой эффективности канала.

Под помехоустойчивостью понимается способность информации противостоять вредному воздействию помех. При данных условиях, т.е. при заданной мешающей помехе, помехоустойчивость определяет верность передачи информации.

Под верностью понимается мера соответствия принятого сообщения (сигнала) переданному.

Под эффективностью канала радиосвязи понимается способность системы обеспечивать передачу заданного количества информации наиболее экономичным способом, то есть с наименьшими затратами мощности сигнала, времени и полосы частот. Вместе с тем, наряду с эффективной передачей сформированных кодированных сигналов важнейшую роль играет при этом основной фактор в канале - помехоустойчивость приемника информации.

Помехоустойчивость приёмника при этом удобно выражать относительным увеличением отношения «сигнал / помеха», сравнивая значение этого отношения на выходе звена приемника, производящего основную обработку сигнала, со значением того же отношения на входе приёмника.

Заметим также, что более широким понятием, чем помехоустойчивость, является помехозащищённость, трактуемая как способность системы связи противостоять воздействию мощных помех.

Помехозащищённость включает в себя скрытность системы связи и ее помехоустойчивость, так как, например, в радиолокационных системах для создания мощных помех надо сначала обнаружить систему связи и измерить основные параметры её сигналов, а затем организовать мощную, наиболее сильнодействующую помеху. И при этом чем выше скрытность и помехо-устойчивость, тем выше помехозащищённость системы связи.

Известная теория информации устанавливает критерии оценки помехоустойчивости и эффективности информационных каналов (систем связи) а также указывает общие пути повышения помехоустойчивости и эффективности. Такие критерии базируются на фундаментальных положениях потенциальной помехоустойчивости В.А. Котельникова (сов. уч. 16.09. 1908 - 11.02.2005-97 л.). Г. Найквиста (амер. 07.02.1889 - 04.04.1976-87 л.) и К. Шеннона (амер. 30.04.1916 - 24.02.2001 -85 л.), связывающих пропускную способность реального зашумленного канала с частотой дискретизации цифрового передаваемого сигнала (параметрами его кодирования-оцифровывания).

С учетом упомянутых критериев потенциальной помехоустойчивости для повышения помехозащищенности в сложной помеховой обстановке в ограниченной (разрешенной) полосе частот, занимаемой широкополосным сигналом (ШПС), в основе всех разработанных в настоящее время оптимальных приемников лежит либо корреляционный способ обработки принятого колебания , либо оптимальная фильтрация с помощью линейных фильтров, согласованных с сигналом. Наибольший эффект при этом достигается применением нескольких вариантов цифрового блока защиты, инвариантного к структуре помех, действующих на входе приемника, а также демодулятора, инвариантного к интенсивности флюктуационного шума [4, 5, 6, 7].

Особенности работы ШПСС в загруженном диапазоне частот

Известно [6,7], что помехоустойчивость ШПСС для однолучевого канала при воздействии нормальных флюктуационных помех не зависит от полосы частот широкополосного сигнала (ШПС) F_с = Дf_с и определяется широко известным соотношением, связывающим отношение мощности сигнал / помеха на выходе приемника q² = (Р_с / Р_п)_вых с отношением аналогичной мощности сигнал-помеха на его входе с² =(Р_с / Р_п)_вх:

q² = = с² •2Б, (1)

где Б = Дf_с• ф_с - база ШПС.

Величина q² может быть получена согласно требованиям к системе (10…30 дБ) даже если с²<<1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой Б, удовлетворяющей (1). Как видно из соотношения (1), прием ШПС согласованным фильтром или коррелятором сопровождается усилением сигнала (или подавлением помехи) в 2Б раз. Именно поэтому величину

К_ШПС = q²/с² (2)

называют коэффициентом усиления ШПС при обработке или просто усилением обработки. Из (1), (2) следует, что усиление обработки К_ШПС = 2Б.

В ШПСС прием информации характеризуется энергетическим соотношением сигнал / помеха:

h²= q²/2, т.е.

h²= Б• с² (3)

Соотношения (1), (3) являются фундаментальными в теории систем связи с ШПС. Они получены для помехи в виде белого шума с равномерной спектральной плотностью мощности в пределах полосы частот, ширина которой равна ширине спектра Дf_с ШПС. Вместе с тем, эти соотношения справедливы для широкого круга помех (узкополосных, импульсных, структурных), что и определяет их фундаментальное значение [8].

Таким образом, одним из основных назначений систем связи с ШПС является обеспечение надежного приема информации при воздействии мощных помех, когда отношение сигнал-помеха на входе приемника с² может быть много меньше единицы. Из последнего соотношения следует, что необходимую величину h² для обеспечения заданной помехоустойчивости можно получить даже при отношении (Р_с/Р_п) < 1, если выбрать достаточно большую базу сигнала Б. Но это означает, что система, использующая ШПС, может одновременно иметь высокую скрытность ((Р_с/Р_п) < 1) и высокую помехоустойчивость (заданную величину h²).

Необходимо еще раз отметить, что приведенные соотношения строго справедливы для помехи в виде гауссовского случайного процесса с равномерной спектральной плотностью мощности («белый» шум) [8].

Помехоустойчивость приема при выбранном классе двоичных сигналов зависит только от величины . Учтем, что энергия посылки сигнала:

,

где - средняя мощность посылки на интервале времени .

С учетом эквивалентной (энергетической) полосы частот, занимаемой спектром сигнала Дf_э, в которой сосредоточена максимальная плотность энергии сигнала Е_с = Р_с ? ф_о, имеем в этом случае выражение для помехоустойчивости:

,

где - база посылки сигнала, N_о - спектральная плотность флюктуационных помех (шумов).

Из выражения видно, что необходимая величина может быть получена соответственно увеличением либо , либо базы Б_с сигнала.

Для сигналов с большой базой :

Для простых сигналов :

.

Обычно состояние дискретного канала (достоверность приема полезного сигнала) оценивается величиной вероятности ошибки Р_ош.

Тогда для однолучевого загруженного радиоканала вероятность ошибки поэлементного приема в отсутствие релеевских замираний запишется:

Р_ош = 0,5• ехр (-h_о ² / 2),

и при наличии таких замираний: Р_ош = 1/ (h_о ² + 2).

В многолучевых каналах становится критичным правильный выбор ширины полосы сигналов. При этом необходимым условием разделения приходящих лучей и накопления их энергии является выбор такой полосы, чтобы она удовлетворяла условию

F_с ? 1 / Дt_мин,

где Дt_мин - минимальное время запаздывания между отдельными лучами.

Наличие взаимных помех радиосредств приводит к тому, что значения спектральной плотности на входе приемного устройства, а. следовательно, h_о ² являются случайными величинами, зависящими от состояния загрузки диапазона и характера сосредоточенных помех. Естественно, случайными будут и упомянутые вероятности ошибок Р_ош.

Анализ и расчеты в этой ситуации показывают [6, 7, 8], что при воздействии сосредоточенных помех Р_ош является функцией не только h_о ², но и зависит от б = Дf /F_с - отношения интервала корреляции по частоте между помехами (ширины полосы мешающих станций) к ширине полосы частот сигналов, используемых для передачи информации.

При этом помехоустойчивость приема близка к предельной, если величина F_с превосходит ширину полосы помех мешающих станций Дf_п не менее чем в 100 раз (б ? 0,01). Если Дf_п = 1 - 2 кГц, то для достоверной передачи информации в загруженном диапазоне частот следует использовать ШПС с полосой полезного сигнала F_с = 100 - 200 кГц. Такие сигналы позволяют разделить и сложить лучи с относительным запаздыванием Дt_мин = 5 -10 мкс.

При релеевских замираниях в канале выбор ширины полосы F_с не сильно влияет на помехоустойчивость [6,7].

Надежность работы ШПСС и УПСС в загруженном диапазоне частот

Под надежностью работы в данном случае понимается вероятность того, что качество связи (вероятность ошибочного приема) будет лучше определенной заранее установленной величины.

В загруженном диапазоне частот для незамирающего канала имеем [7,8]:

Р_ош = 0,5 ехр [-0,5 h_о² • е^-у]²,

а для замирающего по релеевскому закону канала соответственно получено

Р_ош = 1 / (h_о² • е^-у +2)^..

При передаче информации система связи должна обладать определенной на-дежностью - вероятность ошибок Р_ош в ней должна быть меньше некоторой допустимой величины Р _ош< Р_доп.

При незамирающем канале тогда должно быть

0,5 ехр [-0,5 h_о² • е^-у] ? Р _ош.

Вероятность выполнения этого неравенства и есть надежность N связи:

Здесь Ф = Ф(у) - функция Лапласа [6,7,8].

На рисунке 1 показана зависимость N от величины б, из кривой 1 которой видно, что для обеспечения высокой надежности при N ? 0,9 передаваемые ШПС должны иметь полосу частот, в 100 раз превосходящую полосу частот мешающей станции (б = 0,01).

В случае замирающего сигнала

[1 / (h_о² • е^-у +2)] < Р_ош

Откуда для надежности связи N при Р _ош< 1 необходимо иметь

Из рисунка 1 (кривая 2) видно, что в этом случае N > 0,9 обеспечивается при а < 0,1, то есть при полосе частот передаваемых ШПС, в 10 раз превышающей полосу частот мешающих станций.

Таким образом, использование ШПС позволяет обеспечить более высокую надежность связи в перегруженном диапазоне по сравнению с УПС.

Следует отметить, что надежность в схемах многолучевого сигнала существенно выше, чем в схемах однолучевого приема. Например, уже при двух обрабатываемых лучах при релеевском характере замираний в них помехоустойчивость всех систем обработки многолучевого сигнала значительно выше, чем в схемах однолучевого приема. Например, по сравнению с некогерентным приемом одного луча в условиях релеевских замираний энергетический выигрыш при высокой достоверности связи с р > 10 ^-4 составляет величину: 20,6 дБ при когерентном сложении с когерентным приемом; 18,5 дБ при когерентном сложении с некогерентным приемом и 17,6 дБ при некогерентном сложении лучей. С увеличением количества обрабатываемых лучей п значения этих выигрышей еще более возрастают.

б

Зависимость надежности N от величины б (кривая 1) и для замирающего сигнала (кривая 2)

Следует отметить, что релеевский характер замираний является наименее благоприятным, так как из всех реально возможных случаев именно релеевские замирания сигналов приводят к наибольшим энергетическим потерям в системах связи. При наличии обобщенных релеевских замираний, занимающих промежуточное положение между отсутствием замираний и релеевскими замираниями, помехоустойчивость указанных схем многолучевого приема будет возрастать, приближаясь к условиям приема в канале без замираний.

О скрытности широкополосных передач в реальных каналах связи

2. С целью эффективного уменьшения заметности работы РЭС (энергетической скрытности основного излучения РЛС) следует применять сигналы, база которых существенно превосходит единицу, т.е. Б = Дf • Т>>1, где Дf - эффективная полоса спектра сигнала, Т - его длительность. К таким, например, относятся широкополосные сигналы (ШПС) [2, 3, 5 - 10].

3. Построение и модернизация современных реально загруженных каналов связи всех назначений, включая каналы передачи данных, магистральной радиосвязи различных диапазонов волн, радиоэлектронного противодействия (РЭП), ВЧ уплотнения на ж.д. транспорте и ВЧ каналы по высоковольтным линиям электропередач, должны строиться исходя из основной задачи - повышение их эффективности, включающей пропускную способность (быстродействие), помехозащищенность и экономичность, и идти по следующему пути:

а) дальнейшее развитие рассмотренных систем связи с использованием широкополосных и сверхширокополосных сигналов (СШПС);

б) дальнейшие развитие и модернизация каналов радиосвязи на основе создания современных систем, в которых непрерывно оцениваются условия распространения сигналов и помеховой обстановки, и на этой основе адаптивно - автоматически вырабатываются оптимальные условия приема полезной информации.

Научно-технические разработки зарубежных и отечественных производителей (фирм) в области цифровых методов формирования и обработки эффективных информационных сигналов, включая многопозиционные ШПС и СШПС - позволяют создавать оптимальные с точки зрения эффективности.

Библиографический список

канал радиосвязь широкополосный сигнал

1. Алексашенко В.А. Радиоэлектронная защита вооружения и военной техники сухопутных войск от высокоточного оружия / В.А. Алексашенко, Ю.М. Перунов, А.А. Соловьев // Труды III-ей Межрегиональной научно - практической конференции «Броня-2006». - Омск: СО АВН, 2006.

2. Куприянов А.В. Радиоэлектронная борьба / А.И. Куприянов. - М.: Вузовская книга. - 2013. - 360 с.

3. Коровин С.Д. Современные радиоэлектронные средства и технологии. Учеб. для курсантов и студентов военных и гражданских вузов / С.Д. Коровин, С.Е. Метелев, А.А. Соловьев, А.И. Тихонов. - Екатеринбург: Изд-во Велар, 2014 - 654 с.

4. Пусь В.В. Теория и методы обработки последовательных многочастотных сигналов в системах связи сверхнизких и очень низких частот. - дис. д-ра техн. наук/ В.В. Пусь. - СПб., 2001. - 334 с.

5. Семенов И.И. Широкополосные системы радиосвязи: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 92 с.

6. Быховский М.А. О помехоустойчивости широкополосной системы связи, работающей в загруженном диапазоне частот / М.А. Быховский // Радиотехника и электроника. - 1967, т. 12, вып. 9 - С. 1555-1565.

7. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации /А.Г. Зюко, А.И. Фалько, И.П. Панфилов, В.Л. Банкет, Л.В. Иващенко // Под ред. А.Г. Зюко. - М: Радио и связь, 1985. - 286 с.

8. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

9. Майстренко В.А. Безопасность информационных систем и технологий: моно-графия / В.А. Майстренко, В.Г. Шахов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. - 232 с.

10. Семенов И.И., Тихонов А.И. Принципы построения эффективных каналов радиосвязи и высокочастотной связи по линиям электропередачи. // Высоко-частотная связь, электромагнитная совместимость, обнаружение и плавка го-лоледа на линиях электропередачи: Сб. докладов Всероссийской научно-практ. конференции. - Казань: Казан.гос..энерг. ун-т, 2010. - С. 3 - 10.

10. Коровин С.Д. К вопросу определения качества оптимального приема в каналах передачи данных / С.Д. Коровин, А.А. Соловьев, А.И. Тихонов // Вестник Сибирского отделения Академии военных наук №30 - Омск: СО АВН, 2015. - 183 с. - С. 172-18

Размещено на Allbest.ru