Шумоподобные сигналы при дистанционном управлении радиостанцией по каналам дальней связи

При использовании радиостанции в режиме приема и передачи информации отПЭВМ возникаетнеобходи-мость 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.

Существующие способы дистанционного управления радиостанцией нуждаются в использовании 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 информацией между корреспондентами, а следовательно, с неминуемыми перерывами связи [1].

Одним из путей разрешения этой проблемы является передача в общей полосе полезного сигнала и команд управления. Это возможно, если в качестве команд управления использовать шумоподобные сигналы, корреляционная функция и спектр плотности которых близок к аналогичным характеристикам квазибелого шума. Шумоподобные сигналы относятся к классу сложных сигналов, база которых B= 2 FT>> 1.

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

Для получения шумоподобных сигналов можетбыть использована технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS) [2]. Эта 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, т. е. спектр сигнала как бы размазывается по частотному диапазону (рис. 1).

Одновременно с уширением спектра сигнала проис-ходити 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 служеб- ного сигнала может сравниться с уровнем естественного шума. В результате сигнал становится в каком-то смысле невидимым, теряясь на уровне естественного шума или информационного сигнала.

Рис. 1. Преобразование спектра исходного служебного сигнала

Технология уширения спектра была предложена для одновременного совместного использования в одном частотном диапазоне радиостанций, не мешающих друг другу. Из всех разновидностей технологии уширения спектра для этих целей наиболее подходящей является технология уширения спектра методом прямой последовательности (Direc Sequence Spread Spectrum, DSSS) (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 имеетспектр, 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 битвстраивается последовательность так называемого заполнения, длительность импульса τ которого в несколько раз меньше длительности служебного бита. Поскольку длительность одного элемента заполнения в n раз меньше длительности служебного бита, то и ширина спектра преобразованного сигнала будет в n раз больше ширины спектра первоначального сигнала. При этом и амплитуда передаваемого сигнала уменьшится в n 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 алгоритму, служебная информация B ( t ), которая при цифровой связи также представляет собой последовательность импульсов, но значительно большей длительности, перемножается с псевдослучайной последовательностью (ПСП), как показано на рис. 3. Полученный шумоподобный сигнал Z ( t ) суммируется с основным полезным сигналом и передается в канал связи. Передаваемый сигнал Y ( t ) можно представить в виде

Y ( t ) = S ( t ) + Z ( t ), (1) где S ( t ) – основной сигнал; Z ( t ) – шумоподобный сигнал.

Полезный сигнал S(t) для служебной информации Z(t) в этом случае играет роль мощной помехи еще до передачи в канал связи. Полученная последовательность Z(t) является комбинационной, по своим внешним свойствам, т. е. по ширине спектра и виду автокорреляционной функции, она практически не отличается от исходной ПСП, но несетв себе полезный сигнал. При условии линейной независимости или ортогональности полезный сигнал и служебная информация могутпередаваться одновремен- но. На приемной стороне после вычисления функции взаимной корреляции поступающего сигнала

TT

B ( t , τ ) = ∫ S ( t ) ⋅ϕ ( t , τ ) dt + ∫ Z ( t ) ⋅ϕ ( t , τ ) dt (2) 00

можно выделить составляющие основного и шумоподобного сигналов (рис. 4).

К декодеру служебной информации

Рис 4. Структурная схема приемника

В качестве корреляторов используются согласованные фильтры (СФ), 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: либо основного S ( t ), либо шумоподобного Z ( t ) . Шумоподобный сигнал Z ( t ) перемножается на приеме с ПСП, образованной в приемнике и полностью совпадающей с ПСП, используемой в передатчике. В случае корреляционного приема, когда B ( t ) равно 1, амплитуда «шумов», т. е. полезного сигнала, уменьшается примерно в N раз, причем величину N можно выбрать произвольно

Метод шумоподобной передачи был открыт К. Шенноном, который впервые ввел в рассмотрение понятие пропускной способности канала связи:

⎛ P ⎞ C =Δ F ⋅ log 2 ⎜ 1 + ^{P с} ⎟ , (3)

⎝ш⎠ где C – пропускная способность канала связи; ΔF – полосы пропускания канала связи; Pc – мощность сигнала; Pш – мощность шума.

Рис. 3. Структурная схема передатчика информации

Это уравнение устанавливает связь между возможностью осуществления безошибочной передачи информации по каналу связи с заданным соотношением сиг-нал/шум и полосой частот, отведенной для передачи информации.

В соответствии с нормами на каналы передачи данных, шумовая защищенность должна составлять

P

10 ■ log2 -с- ® 35 дБ. Исходя из этих соображений, выбе-Pш рем соотношение основного и шумоподобного сигна-

P лов равным 10 ■ log2 — = 40 дБ. Очевидно, что этотуро-Pш вень мощности шумоподобного сигнала практически не влияетна достоверность основного сигнала. Перевод децибел в разы показывает, что основной сигнал должен в 56 раз превосходить по уровню шумоподобный.

Полагая, что пропускная способность С равна максимально необходимой скорости передачи служебной информации по каналу связи C = N max , решим обратную задачу Шеннона, в которой в качестве сигнала выступает команда управления радиостанцией, представленная шумоподобным сигналом, а под шумом понимается

P 1 информационный сигнал. В этом случае -с- = — <<  1.

P ш 56

Для значения — < 1 справедливо выражение [3]:

P ш

, L р. )р log211 + у Гу.(4)

V ш )ш р            1,

Тогда N ^ A F ■ -с- = 3100   55,4 бит/с.

max       Pш56

Таким образом, если выполнить условие N _пер <  N max и выбрать стандартную скорость передачи N п _ер = 50 бит/с, то можно практически в реальном масштабе времени управлять режимами работы радиостанции, не прекращая передачи основного потока информации.

Предлагаемый алгоритм является универсальным и можетбыть применен для различных видов радиолиний, как одно-, таки многоканальных, с различными видами модуляции и способами обработки сигнала на приеме.

Расчет параметров шумоподобных сигналов. Выбор энергетических параметров основного сигнала и сигна- ла управления радиостанцией проведем исходя из условия равной различимости этих сигналов. Равное различение этих сигналов возможно в случае существования равенства

Р ■ T = Р шп ■ Т шп , (5) где P _c, P _шп–мощность основного и шумоподобного сигналов; T _c, T _шп–длительность единичного интервала основного и шумоподобного сигналов.

В качестве критерия выберем допустимое значение вероятностей ошибки основного сигнала P _тр , при условии введения в информационный тракт шумоподобных сигналов, мешающих управлению радиостанцией. Выражения для расчета вероятности ошибки при различных видах модуляции и способах обработки сигнала на приеме приведены в таблице.

Используя эти выражения, построим графики зависимости Р _ош = f ( h ²) при использовании сигналов ЧТ, ДЧТ и ОФТ (рис. 5). Задаваясь значением требуемой вероятности ошибки P _тр , по выражению (5) легко определить необходимое значение h ²:

PT h 2 = — = —. (6) P T ()

Рис. 5. Графики зависимости вероятности ошибки от соотношения мощностей сигнал/шум в канале связи:

–ЧТ; – ДТЧ;     – ОФТк;    – ОФТнк

Значения вероятностей ошибок

Манипуляция	Вид обработки сигнала
	некогерентный	когерентный
Амплитудная	Р = 1 е ~°,25 h 2 ош 2 е	Р ош = 1 — F ( h 705 )
Частотная	Р = 1 .   5 h 2 ош 2 е	Р ош = 1 — F ( 4Йг )
Фазовая	р = 1 е—0,25 h 2 1 ош 2 е	Р ош = 1 — F ( h ^ )
Относительная фазовая	Р =1 e hh 2 ош 2	Р ош = 2 [ 1 — F ( h 41 ) ]• F ( h 41 )

P

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: h ² = —^c-- отношение мощностей основного и шумоподобного

P шп

1 x -— сигналов; F ( x ) = .--- ■ e ² dt - интеграл вероятности.

V2 ■ к ^J '^v —го

Тогда мощность шумоподобного сигнала управления радиостанцией составит

р

P шп = ^{P c}₂ ,                      (7)

h а скорость передачи –

N

^{N c}                        (8)

шп 2 .

h

Таким образом, зная параметры информационного сигнала и требования к достоверности передачи информации, всегда можно рассчитать параметры служебного широкополосного сигнала.

Применение адаптивных радиолиний декаметрово-го диапазона характеризуется неэффективным использованием частотного диапазона из-за перерывов в связи для передачи команд управления взаимодействующими радиостанциями. Предлагаемый алгоритм пере- дачи служебной информации на основе шумоподобных широкополосных сигналов обладаетболее высокой информационной эффективностью за счет одновременной передачи в одной полосе частот как информационного, таки служебного сигнала при условии обеспечения требуемой достоверности передачи информационных сообщений.