Формирование структуры компьютерной модели для оценки влияния параметров бортового ретрансляционного комплекса на сигнал

Бортовой ретрансляционный комплекс (БРК) космического аппарата (КА) связи является важнейшей составной подсистемой КА связи и, по существу, является полезной нагрузкой, определяющей его функциональное назначение [1]. Для обеспечения функционирования БРК выделяется основная часть главных ресурсов КА. В современных КА связи надежность и ресурс БРК определяют его срок службы. Важным этапом разработки БРК является компьютерное моделирование, которое способно оценить влияние тех или иных параметров комплекса на сигнал.

Кроме того, при моделировании должно быть рассмотрено функционирование БРК под действием различных искажений в канале связи, не идеальности характеристик высокочастотных (ВЧ) и низкочастотных (НЧ) трактов, вносящих искажения, влияния выбора той или иной сигнально-кодовой конструкции, определяющей показатели качества, такие как помехоустойчивость и пропускная способность.

Формирование структуры

Модель БРК должна быть адекватной оригиналу, она должна с достаточной точностью отображать интересующие характеристики. Основная функция комплекса со сквозной ретрансляцией состоит в приеме сигналов от наземных станций (НС), усилении этих сигналов и последующей передачи их на другие НС с внесением при ретрансляции минимальных искажений и помех. Модель БРК можно воспринимать в единой системе с НС, где она формирует сигнал воздействия, на которое БРК вырабатывает реакцию, анализирующейся на другой НС. Схематичное представление такой модели показано на рис. 1.

Рис. 1. Укрупненная схема модели НС–БРК–НС

Основополагающими узлами приемопередающей системы НС–БРК–НС являются узлы формирования воздействия, сквозной ретрансляции (реакции), анализа реакции. Рассмотрим более подробно эти узлы модели. Воздействие формируется в узлах НС как сигнально-кодовая конструкция, например соответствующая стандарту DVB-S2 [2–5]. Структурная схема формирования такого воздействия показана на рис. 2.

Входной поток данных разбивается на последовательность байт (т. н. таймслоты). В DVB-S2 таймслоты называются UP (UserPacket). Каждый UP проверяется на наличие ошибок дополнительным байтом четности CRC-8. Если входных по- токов несколько, то формируется синхромаркер для UP каждого канала, а также буферизация для мультиплексирования с временным разделением UP с разных входных потоков в один выходной. Все это происходит в области «ModeAdaptation».

После МodeAdaptation UP-таймслоты представляются в виде единого потока GenericContinousStream. Затем данный поток «режется» на блоки данных, которые называются DataField (поле данных) и к каждому DataField прикрепляется BB (Baseband) заголовок. Объединение BBHEADER с DataField формируют BBFRAME (Кадр BB), как это показано на рис. 3.

После данного разбиения идет скремблирование данных с «Псевдо Случайной Бинарной Последовательностью» для того, чтобы сделать появление логической единицы или логического нуля равновероятными.

Кодер с прямым исправлением ошибок (FEC) может формировать FECFRAME (кадр FEC) в двух режимах: short (короткий) и normal FECFRAME (обычный). Отличие кадров заключается в их длине: 16200 байт для короткого и 64800 для длинного. Для передачи «полезной» информации (видео, радио) используют нормальные фреймы. Для служебной информации, для которой критично время, используют короткие фреймы. Сначала входной BBFRAME проходит через BCH-кодер, а после через LDPC-кодер, формируя FECFRAME. Для короткого фрейма существует 10 режимов с различными скоростями для BCH и LDPC кодирования, для обычного – 11 вариантов (итого 21 вариант FEC кода), что необходимо для 3 режимов функционирования спутника: постоянная, переменная и адаптивная сигнально-кодовая конструкция.

BBFRAME

FECFRAME

Merger “N' Slicer

’^8 Input ! Snput Stream “Null-packet;

3interfaceL^ynchroniserjj Deletion ■, a=0,35, 0,25, 0,20

Dotted sub-systems are not relevant for single transport stream broadcasting applications rates 1/4,1/3,2/5 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10

QPSK,

8PSK, 16APSK, 32APSK

PADDER!

BB SCRAM BLER

PLFRAME to the RF satellite channel

Multiple Input Streams

BCH Encoder (*1bch>kbch)

LDPC Encoder (nidpcjkidpc)

MODULATION

Mode Adaptation

Interface (optional)

STREAM ADAPTATION

BBHEADER

DATAFIELD

PL FRAMING

EEC ENCODING

MAPPING

LP stream fr^

BC modes

MODE ADAPTATION

; Buffer

(ACM, TS)

interface

CRC-8 Encoder

BB Signalling

CRC-8 : : Buffer Encoder jnput Stream! ;Null-packetf «ynchroniserjj Deletion I : ■: (acm, ts) г

BLER

Dummy I plframe; Insertion ;

Bit mapper constellations

Bit

Inter- i^> leaver

BB Filter

Quadrature Modulation

Single

Stream

Рис. 2. Сигнально-кодовая конструкция в стандарте DVB-S2

-

После кодирования происходит битовое пе-ремежение, т.е. распараллеливание битового потока в зависимости от выбора типа модуляции: QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) – по 2 бита; 8PSK (Eigth Phase Shift Keying) – по 3 бита; 16APSK (Amplitude-Phase Shift Keying) – по 4 бита; 32APSK – по 5 бит. Затем данные опять синхронизируются и скремблируются. После этого, для ограничения полосы спектра, сигнал проходит фильтрацию – корень из приподнятого косинуса. Затем полоса сигнала фильтруется, усиливается и посредством конвертера переносится в область ВЧ.

194       Данный ВЧ-сигнал посредством влияния ка нала прохождения от НС до БРК ослабляется и искажается (аддитивные, фазовые, частотные шумы и т.д.). Принятый антенно-фидерным устройством (АФУ) сигнал поступает в приемное устройство, в котором осуществляется усиление сигналов с малым уровнем собственных флуктуационных помех (шумов), преобразование частоты (с fпр на fпрд). Далее сигналы поступают на входной мультиплексор (IMUX), в котором осуществляется выделение отдельных частотных стволов, принятых

Том 2

единым групповым сигналом приемным АФУ и приемным устройством, затем сигналы каждого ствола усиливаются своим усилителем мощности (УМ) и складываются вместе особым устройством – выходным мультиплексором (OMUX). Типовая структура [1] современного многоствольного БРК со сквозной ретрансляцией для КА связи на геостационарной орбите представлена на рис. 4.

Далее ВЧ-сигнал (реакции), ослабленный и искаженный каналом, возвращается на НС. На наземной станции спектр принимаемого сигнала выделяется посредством полосового фильтра, усиливается малошумящим усилителем, переносится в область промежуточной частоты, где сигнал снова усиливается, фильтруется и переносится в область нулевой частоты. На нулевой частоте сигнал оцифровывается, фильтруется, демодулируется и декодируется в обратном порядке схемы на рис. 2. Во время обработки сигнала на приемной стороне восстанавливается частота, частота тактирования, битовая и кадровая синхронизация.

Таким образом, переданные данные для формирования ВЧ воздействия можно сравнить с при-

Рис. 3. Формирование BBFRAME DVB-S2

нятыми декодированными данными реакции БРК. Критерием оценки для цифровых данных выступит вероятность появления ошибочного бита, посредством чего можно оценить качество используемого БРК. Также для большей достоверности можно анализировать отношение сигнала к шуму в разных точках модели и другие характеристики БРК. В качестве негативных факторов будут выступать аддитивный, тепловой, фазовый, частотный шумы и прочие помехи. Структурная схема компьютерной модели для оценки влияния параметров БРК на сигнал будет выглядеть [6] как показано на рис. 5.

Компьютерная модель должна обладать следующим функционалом:

• •    отражение физической сути ВЧ тракта БРК и НС на уровне основных узлов прохождения (смеситель, гетеродин, усилитель мощности, входной и выходной фильтр);

• •    возможность изменения радиотехнических характеристик модели;

• •    формирование в модели испытательного сигнала с применением стандартов DVB-S2;

• •    измерение вероятности появления битовых ошибок при прохождении сигнала с различными сигнально-кодовыми конструкциями через модель;

• •    имитация искажений сигнала в среде распространения.

План формирования моделии выводы

Данная модель может быть реализована в пакете MATLAB/Simulink [7–9], затем полученная блок-схема конвертируется в текстовый MATLAB m-файл, который в последствии может быть интегрирован с программным обеспечением высокого уровня, разработанного в среде LabVIEW.

Рис. 5. Структурная схема компьютерной модели для оценки влияния параметров БРК на сигнал

План формирования модели в средах MATLAB/Simulink [10–12] будет следующим:

• 1.    На передающей стороне модели НС будет формироваться сигнально-кодовая конструкция посредством последовательно соединенных блоков Simulink, которые последовательно преобразовывают входные потоки данных в потоки UP (DVB-S2). Далее потоки UP будут преобразованы в кадры BB, которые будут подвержены канальному кодированию через последовательно стоящие кодеры BCH и LDPC, формирующие FEC-кадры. Затем перемежение FEC-кадров позволит сформировать констелляционное созвездие (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK).

• 2.    На передающей стороне будут задаваться характеристики канала связи между моделями НС и БРК, который ослабляет сигнал, вносит аддитивную помеху, фазовый и частотный сдвиг.

• 3.    Также на передающей стороне будет сформирована модель ВЧ тракта, в состав которой с неидеальными характеристиками будут входить: смеситель, усилитель мощности, входной и выходной фильтры.

• 4.    Приемная сторона БРК будет принимать ВЧ сигнал, фильтровать его полосовым филь-

• тром, усиливать малошумящим усилителем, посредством смесителя переносить сигнал на другую частоту, усиливать и снова фильтровать. Каждый ВЧ блок будет с неидеальными характеристиками.

• 5.    Выходящий сигнал с БРК будет проходить через блок модели канала, который внесет дополнительные искажения.

• 6.    На приемной стороне ослабленный и искаженный сигнал будет проходить через модель гетеродинного приемника. Сигнал будет ограничен по полосе, усилен малошумящим усилителем, перенесен в область промежуточной частоты и т.д. Каждый ВЧ блок будет с неидеальными характеристиками.

• 7.    Принятая и пониженная по частоте сигнально-кодовая конструкция будет последовательно детектирована в демодуляторе (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK), декодирована в LDPC и BCH кодерах, на выходе которых будет получен приемный поток данных BB, который будет восстановлен в последовательность данных.

• 8.    Переданные и принятые данные будут проанализированы посредством расчета вероятности появления ошибочного бита.

  
  
  
  
  
  

• 9.    Модель будет предусматривать возможность изменения характеристик сигнально-кодовой конструкции, высокочастотных трактов, каналов связи, таких как мощность, фаза, частота сигнала, мощность аддитивного, фазового и частотного шумов, характеристик скорости кодеров (в соответствии с DVB-S2), выбора модуляции (в соответствии с DVB-S2), нейтральности ВЧ филь-

• Том 2

• 10.    Simulink-модель будет конвертирована в m-функции MATLAB для вызова их из среды LabVIEW.

тров, смесителей, усилителей и т. д.

Результаты компьютерного моделирования станут основой для формирования технических требований к отдельным блокам и в целом к разрабатываемому БРК.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки России в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» (Соглашение № 14.578.21.0247 от 26.09.2017 г., уникальный номер проекта RFMEFI57817X0247).