Низкочастотный радиотелеметрический канал на основе пространственно распределенной приемной антенной системы и ортогонального частотного мультиплексирования

Узкополосные РТС в СДВ, ДВ и СВ диапазонах из-за особенностей радиоканала нашли широкое применение в основном в профессиональной и любительской радиосвязи. В частности, последние достижения в области цифровой обработки сигнала связаны с появлением таких систем передачи информации, как профессиональная система “Подземное радио” (UWC), любительская система “Медленный телеграф” (QRSS) [1 -3]. Современные НЧ РТС характеризуются: применением новых типов антенных систем, использованием эффективных сигнально-кодовых конструкций, методов мультиплексирования, кодирования и сжатия информации с целью повышения качества приема и увеличения пропускной способности.

В представленной статье предложен вариант построения и проведен анализ модели узкополосной системы передачи телеметрических данных от удаленных стационарных или малоподвижных источников, имеющей улучшенные показатели вероятности битовых ошибок в ДВ диапазоне за счет применения модифицированной антенной системы SIMO (Single Input – Multiple Output, одна передающая – множество приемных) и ортогонального частотного мультиплексирования (ОЧМ).

Тел.(846) 334-48-10, 242-10-90.

РАДИОКАНАЛ С АНТЕННОЙ СИСТЕМОЙ SISO ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ M-КAM ОЧM СИГНАЛА

Антенная система SISO (Single Output -Multiple Input) содержит одну передающую и одну приемную антенны. На передающей стороне поток битов преобразуется в символы, которые используются для квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) N поднесущих (рис. 1).

Формирование суммарного КАМ-ОЧМ сигнала осуществляется посредством базисных тригонометрических функций из потока N цифровых символов длительностью T_s в соответствии с алгоритмом обратного быстрого преобразование Фурье (ОБПФ) [4, 5]:

N - 1

5 ( t ) = Re J e j ⁿ 0 t £ [ I ( k ) + jQ ( k ) ] e " k ^A ft [ , (1) I k = 0

где f ₀ – несущая частота; k – индекс поднесущей; A f= 1 /T S — частотный разнос поднесущих; I(k), Q(k) – квадратурная и синфазная составляющие k- й поднесущей; 0 <  t <  T_s .

В модели радиоканала охранные интервалы можно не использовать, так как для низкодиа-

Рис. 1. Схема формирования суммарного выходного сигнала пазонных узкополосных сигналов (ДВ и нижний поддиапазон СВ) при малоподвижных передатчиках влияние межсимвольных помех незначительно. Существенно большее влияние оказывают мультипликативные и аддитивные шумовые помехи [6].

В приемнике для восстановления данных производится сглаживание, оцифровка и прямое дискретное преобразования Фурье (ПДПФ) суммарного сигнала с последующим параллельным пороговым определением значений символов, которые в процессе демодуляции переводятся в последовательность битов.

В результате алгоритмической обработки из принятого суммарного сигнала выделяются квадратурные и синфазные составляющие сигналов поднесущих [4]

2 n - 1

BER k = ^p b ⁽ k ) =       T P s ^{( k} ) ,     (6)

2 — 1

где n= log₂ M.

ДВУХКООРДИНАТНАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА

N - 1

I * ( k ) = I 2

N n = 0

-

I * ( n )cos

Q * ( n )sin

N - 1

Q * ( k ) = | ^

N n = 0

( - 2 n k A fn ^

I N J

*

Q ( n )cos

(- 2 n k A ft ^

I N J

*

+ 1 ( n )sin

(- 2 n k A ft ^

I N )

где I ( n ) , Q ( n ) - квадратурная и синфазная составляющие суммарного сигнала с учетом помех, отсчитанные по дискретной шкале времени; n – номер временного отсчета.

Качество восстановления символов определяется отношением сигнал/шум (ОСШ), которое согласно [7] примем как SNR = 1 / EVM ² , где EVM - евклидово расстояние между координатами идеального и реально измеренного символов, равное

При распространении низкочастотного сигнала уровень принимаемой мощности является случайной функцией, зависящей от местоположения абонентов, времени и замираний сигнала. На каждый луч воздействуют мультипликативные и аддитивные помехи, уровень которых может варьироваться в широком диапазоне [4-6, 8].

Применение пространственно разнесенных приемных антенн является одним из эффективных способов повышения помехоустойчивости. Система SIMO реализует механизм пространственно-временной обработки сигналов группой независимых интеллектуальных антенн и приемников. В большинстве беспроводных сетей используют простую коммутацию, чтобы по мажоритарному принципу выбрать антенну с лучшим отношением сигнал/шум [4, 5].

Предложенная двухкоординатная матрица из B = b x x b y приемных антенн, расположенных с шагом l x = (0,001^0,01) X по оси х и с шагом l y =(2^10) X по оси У , является составной частью модифицированной системы SIMO (рис. 2).

Система дает возможность многократно идентифицировать принимаемый КАМ-ОЧМ сигнал в предельно узком интервале времени a t « ( b x - ilJс с целью эффективного выделения символов на фоне помех [9].

Например, при b y = b x =3 и 1= 0,005 X параметры k -й поднесущей ( k -го символа) на первом этапе определяются по трем отсчетам по координате х , выполненным в моменты времени t ₁,

EVM ( k ) =

( I ( k ) - 1 * ( k ) ) ² + ( Q ( k ) - Q * ( k ) ) ²

1 ²( k ) + Q ( k )²

. (4)

Вероятность символьной ошибки для многопозиционной M-КAM модуляции равна [7]:

P s ( k) = 1 -

(                    ^l ²

” - ^{1 2}

1-21 1 --^ I- ^ [ e 2 dt v VM ) \2ft !3SNR(k)

< V M -1          )_

, (5)

где M – алфавит многопозиционного модулированного сигнала M-КAM; SNR – ОСШ, усредненное по ансамблю траекторий символов одной поднесущей.

Вероятность битовой ошибки в k -м частотном канале определяется как

Рис. 2. Структурная схема двухкоординатной SIMO

1 2 = 1 1 + A t /2, 1 2 = 1 1 ⁺ A t в пределах сотой доли периода поднесущей. Дальнейшая обработка сигналов по координате у осуществляется по стандартному алгоритму. При этом для сбора данных с удаленных приемников используется, например, УКВ диапазон или ВОЛС. В результате для принятия системой решения о значении символа достаточно периода поднесущей. Возможны и другие варианты сбора и обработки принятых сигналов.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОГО РАДИОКАНАЛА SIMO – OЧМ – M-КAM

Оценка эффективности модифицированной системы SIMO – OЧМ – M-КAM проводилась с применением имитационного моделирования. Задавался псевдослучайный аддитивный и мультипликативный помеховый сигнал, воздействующий на систему из B = Ь х _х Ь у антенн с приближающейся точки, при этом учитывался пространственно-временной сдвиг сигнала и воздействующей помехи. По результатам моделирования строилось сигнальное созвездие (рис. 3).

Далее на основе формулы (4) определяется усредненное значение EVM(k) по В измерениям, после чего по формулам (5) и (6) вычисляются значения символьной и битовой ошибок на частотном канале с наихудшим ОСШ.

На рис. 4 отображены зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для матриц приемных антенн различной размерности ( b_x=b_y)_. Из характера изменения кривых видно, что с увеличением количества антенн BER резко уменьшается при высоком уровне помех. Как показывает анализ сигнальных созвездий, наиболее суще-

Рис. 4. Зависимость ВЕR от ОСШ при В =1, 3, 9, 16, 25, 36, 49

ственный выигрыш достигается за счет линейки b_y , если источник помех находится на оси y.

В процессе исследования было выявлено максимальное влияние даже малой помехи на первую поднесущую ОЧМ символа, что обусловлено особенностями ОБПФ. Поэтому целесообразно не использовать первую поднесущую в качестве информационной составляющей сигнала. Тогда, например, при 16-КAM, полосе символа ( N-1) a f =1 кГц и расстоянии между поднесущими a f =2 Гц спектральная эффективность составляет 3,992 бит/с/Гц.

Пропускная способность SIMO – OЧМ – M-КAM радиоканала определяется по формуле

5У

C = £ v I log2 M + P(k)log21 -(4 | + tO I               I m -1)

+ (1 - P ( k ))l0g 2 (1 — - ( k ) )

Рис. 3. 16-КAM созвездие, полученное при имитации белого шума, воздействующего на матрицу антенн 3 _х 3

Рис. 5 Зависимость скорости передачи от ОСШ при В =1, 3, 9, 16, 25, 36 и 49;

N =16; М =16; _A f =2 Г ц

где k= 0 ...N- 1, N – количество символов; M - алфавит M-КAM.

Соответственно с ростом В и увеличением ОСШ пропускная способность стремится к предельному значению, что позволяет применить модуляцию с М =64, 128, 256 и более (рис. 5). Использование адаптивной модуляции дает возможность варьировать скорость передачи данных в широких пределах, обеспечивая прием телеметрических данных с BER=10^-6…10^-9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение методов многократной иденти- 6 ^. фикации ОЧМ – М-КАМ сигнала в предельно узком интервале времени посредством модифи- ^7. цированной системы SIMO позволяет существенно уменьшить вероятность символьных и 8. битовых ошибок при воздействии различных видов помех, характерных для низкочастотного ^9. диапазона. Это создает перспективы для разработки РТМС для стационарных и малоподвижных источников данных, устойчиво функционирующих на длинных и средних волнах.