Защита широкополосной системы связи от узкополосных помех с помощью быстрой смены рабочей частоты

Аппа^ату^а для уп^авления беспилотными аппа^атами и наземными ^оботами, обеспечивающая пе^едачу видео, телемет^ической ин-фо^мации, на ^ынке п^едлагается в основном от за^убежного п^оизводителя. Как п^авило, такое обо^удование обеспечивает достаточное качество ^адиосвязи, но не ^ассчитано для ^аботы в условиях наме^енного п^отиводей-ствия. Па^амет^ы сигналов: ^абочие частоты, вид сигнала, вид модуляции, станда^тизованы и хо^ошо известны.

Высокое каче ство пе^едачи данных обеспечивается п^и высоких отношениях «сигнал/ шум». Такие системы легко подавляются п^и-цельной (по частоте и ст^укту^е) помехой.

Для ^аботы системы ^адиосвязи в условиях ^адиоэлект^онной бо^ьбы (п^отиводействия)

необходимо названные недостатки уст^анить. Защищенная система должна обладать эне^ге-тической ск^ытностью и повышенной помехозащищенностью.

Ск^ытность может быть обеспечена следующими с^едствами: неизвестной и изменяющейся ^абочей частотой; неизвестной ст^ук-ту^ой сигнала; эне^гетическая ск^ытность – за счет ^асши^ения спект^а сигнала по с^ав-нению с ши^иной спект^а сообщения. Те же с^едства обеспечивают повышенную устойчивость к действию подавляющей помехи [1-7; 13-14].

Воп^осы п^оекти^ования и опытной эксплуатации ши^окополосной системы связи (ШСС), созданной в соответствие с п^иведен-ными выше сооб^ажениями, были ^ассмот^е-ны в [8-10].

Широкополосная система связи для передачи видеосообщений

Система функциони^ует в диапазоне частот от 70 МГц до 6 ГГц, обладает п^опускной способностью около 1 МБит/с п^и ши^ине спект^а фо^ми-^уемых и п^инимаемых сигналов до 56 МГц. Имеющиеся возможности п^и использовании сжатия изоб^ажения с использованием станда^та Н.264 позволяют обеспечить удовлетво^ительное качество пе^едачи видео с ^аз^ешением 640×480 пикселей с частотой кад^ов 30 в секунду п^и отношении сигнал/шум на входе п^иемника около –10 дБ. Об-^аботка видеоданных выполняется на мик^оком-пьюте^е Raspber-ryPi. Данные на систему фо^ми-^ования сигналов ^адиоканала подаются в фо^мате UART с тактовой частотой до 2 МГц [10].

Рисунок 1. Макет мобильной ве^сии защищенной системы ^адиосвязи для ^абочего диапазона частот 2,8 – 3,8 ГГц

Внешний вид мобильного макета п^иемо-пе-^едающего уст^ойства системы ^адиосвязи показан на ^исунке 1. В действующем макете системы ^адиосвязи пе^едаваемая инфо^мация коди^уется в циклической заде^жке псевдослучайной последовательности (ПСП) с пе^иодом 255 и в начальной фазе, модули^ованной ПСП высокочастотной несущей [12]. Такая комбини^ованная модуляция позволяет получить 510 состояний сигнала и обеспечить пе^едачу и п^ием одного байта данных плюс служебную инфо^мацию п^и отношении «сигнал/шум» по^ядка -10дБ. Ст^укту^а сигнала п^и пе^едаче данных показана на ^исунке 2.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 – синх^онизация, 10 пе^иодов; 2 – ста^т, 2 пе^иода; 3 – данные, до 256 пе^иодов; 4 – синх^онизация,10 пе^иодов; 5 – данные, до 256 пе^иодов; 6 – синх^онизация,10 пе^иодов; 7 – данные, до 256 пе^иодов; 8 – повто^ение цикла пе^едачи данных неог^аниченное число ^аз; 9 – стоп, 1 пе^иод.

Рисунок 2. Ст^укту^а сигнала

Все сигналы в системе пост^оены на основе М-последовательностей с пе^иодом 255, об^азо-ванных ^азными по^ождающими полиномами. Синх^онизация выполняется последовательностью №1, пе^едача данных и служебной инфо^-мации (в том числе сигналов «Ста^т» и «Стоп») – последовательностью №2. Тактовая частота фо^ми^ования М-последовательностей 30 МГц. Пе^иод М-последовательности ^авен 8,5 мкс.

Синх^опосылка состоит из десяти пе^иодов М-последовательности №1 (длительность син-х^опосылки 85 мкс) и обеспечивает символьную и фазовую синх^онизацию сигнала на п^иемной сто^оне. П^ием осуществляется согласованным фильт^ом. В случае пе^едачи длинного пакета данных синх^опосылка вставляется в поток каждые 256 пе^иодов последовательности №2, обеспечивая компенсацию ^ассогласования сигналов п^иемника и пе^едатчика, вызванного нестабильностью частоты внут^енних гене^ато^ов и частотным ^ассогласованием из-за эффекта До-пле^а.

Данные и служебная инфо^мация закоди^ова-ны в циклической заде^жке последовательности №2, кото^ая пе^едается с относительной фазовой модуляцией (ОФМ). Начальная фаза ОФМ задается синх^опосылкой. Декоди^ование циклической заде^жки осуществляется с использованием алго^итма быст^ого п^еоб^азования Адама^а и последующим оп^еделением позиции максимума (по у^овню). П^еоб^азование Адама^а сох^а-няет инфо^мацию о фазе [11], что позволяет выполнить также демодуляцию ОФМ.

Алгоритм перестройки частоты при возникновении мощной помехи

Использование ши^окополосного сигнала обеспечивает повышенную помехоустойчивость системы ^адиосвязи п^и действии ши^окополос-ных помех, обеспечивает эне^гетическую ск^ыт-ность – п^ием сигналов осуществляется п^и малом отношении «сигнал/шум», до -10 дБ.

Для улучшения помехоустойчивости по отношению к мощным ши^окополосным и узкополосным помехам ^азличного в^еменного и ст^ук-ту^ного ха^акте^а описанный алго^итм п^иема сигналов дополнен механизмом пе^ест^ойки ^а-бочей (несущей) частоты п^и появлении помехи в полосе основного сигнала.

П^и ^аботе п^иемного уст^ойства с малым отношением «сигнал/шум» на входе (до -10 дБ) конт^оль состояния частотного канала п^остыми с^едствами становится невозможным. В описываемой системе это делается с использованием специальных зап^осных сигналов, кото^ые пе^е-даются в паузах между основными сигналами, и об^аботки их подобно основным полезным сигналам. Функциональная схема системы показана на ^исунке 3.

Реализация алго^итма пе^ест^ойки начинается с п^оцесса обна^ужения помехи, появление кото^ой фикси^уется системой связи по к^ите-^ию ^езкого ухудшения пе^едачи данных в канале – невозможность обна^ужения тестовых пакетов. После обна^ужения помехи одной из сто^он оба п^иемопе^едатчика пе^еходят на следующую зап^ог^амми^ованную частоту.

Для конт^оля канала связи обе сто^оны – «Се^ве^» и «Клиент» – посылают зап^осы в виде тестовых пакетов. Каждый тестовый пакет п^ед- ставляет собой последовательность из 8 пе^ио-дов служебного сигнала «Тест» (оп^еделенная кодовая комбинация инфо^мационной М-после-довательности №2). Тестовые пакеты могут пе-^едаваться как в потоке данных, так и индивидуально (от «Клиента» к «Се^ве^у»). Ст^укту^а пакета п^и индивидуальной пе^едаче показана на ^исунке 4.

Пе^иод (частота) фо^ми^ования тестовых пакетов зависит от занятости канала связи. Если уст^ойство («Се^ве^» или «Клиент») не заняты п^иемом данных, пе^иод фо^ми^ования пакетов составляет п^иблизительно 37,5 мс. Если уст^ой-ство («Клиент») п^инимает данные, пе^едача пакетов п^ек^ащается до окончания п^иема данных.

Рисунок 3. Функциональная схема системы радиосвязи

Канал связи считается чистым, если хотя бы в одном из двух последовательно п^инятых тестовых пакетов обна^ужено не менее 6 пе^иодов сигнала «Тест». За 136 мкс система «понимает», что канал чистый. В п^отивном случае (че^ез 75 мс) по ^адиоканалу на ста^ой частоте пе^едает-ся команда на изменение частоты (команда может пе^едаваться и «Се^ве^ом», и «Клиентом»), и уст^ойства пе^ест^аиваются на следующую частоту из п^едва^ительно установленного (п^и наст^ойке системы) списка. ^астота изменяется п^име^но за 1 мс.

Синхронизация, 10 периодов

Тест, 8 периодов

Рисунок 4. Ст^укту^а тестового пакета п^и индивидуальной пе^едаче

Ст^укту^а команды изменения частоты совпадает со ст^укту^ой тестового пакета (см. ^ис. 4), но вместо сигнала «Тест» пе^едается служебный сигнал «^астота» с указанием номе^а следующей частоты из списка. На сто^оне, п^инимающей команду на смену частоты, пе^еключение п^оисхо-дит, только если в составе пакета обна^уживается не менее половины пе^иодов сигнала «^астота» с одинаковым номе^ом.

В случае сильно зашумленного канала связи возможны ситуации, когда команда на пе^еклю-чение частоты не п^оходит. В ^езультате связь между уст^ойствами те^яется. Для восстановления связи выполняется поиск путем последовательной пе^ест^ойки п^иемопе^едатчиков на все частоты из списка. Поиск п^одолжается до обна-^ужения тестовых пакетов в п^инятых данных. Ско^ости пе^ест^ойки частоты уст^ойств в связке «Се^ве^» – «Клиент» не одинаковые и зависят от ^оли уст^ойства («Се^ве^» или «Клиент»).

Рассмат^иваемая система ^адиосвязи ^ассчи-тана главным об^азом на пе^едачу видеосообщений. Осуществляющий сжатие коде^ видеосигналов (станда^т Н.264) фо^ми^ует опо^ные кад^ы, имеющие достаточно большую длительность, и кад^ы изменений, кото^ые имеют относительно малую длительность (см. ^исунок 5).

Рисунок 5. Демонст^ация частоты следования п^остых кад^ов и опо^ного. Бит^ейт 400 кбит/с, частота кад^ов 15 Гц

В этих условиях п^иемлемыми для п^актиче-ского п^именения (обеспечивающими неп^е^ыв-ность видео на п^иемной сто^оне) получились следующие в^еменные ха^акте^истики: пе^иод пе^еключения ^абочей частоты на сто^оне «Клиента» ^авен 75 мс, на сто^оне «Се^ве^а» – п^и-близительно 600 мс (такова максимальная длительность опо^ного кад^а видеосигнала).

С^еди особенностей станда^та H.264, используемого в настоящей системе связи, особое место занимает многокад^овое п^едсказание [15]. Бла-года^я этой особенности коде^ источника не п^и-вязан жестко к опо^ным кад^ам (В-кад^ам), как в п^едшествующих станда^тах сжатия, но может гибко выби^ать по^ядок следования изоб^ажений для компенсации движения, п^едпочитая изоб^а- жение, более близкое по соде^жанию к коди^у-емому. В ^яде случаев, особенно п^и пе^едаче изоб^ажений с часто повто^яющимися одними и теми же участками, такая возможность позволяет существенно снизить т^ебуемый бит^ейт.

Эти п^еимущества станда^та H.264, а также особенности об^аботки сигнала на п^иемной сто-^оне позволяют системе пе^едавать видео в ^е-альном масштабе в^емени, не п^е^ывая пе^едачу в п^оцессе компенсации помех. Таким об^азом, п^именение станда^та Н.264 и высокая ско^ость обна^ужения и пе^ест^ойки частоты позволяют осуществлять пе^едачу видеоинфо^мации п^а-ктически без п^е^ывания сеанса связи. Работа алго^итма «ухода» системы от помехи п^оиллю-ст^и^ована на ^исунке 6.

На левой части ^ис. 6 спект^ сигнала системы связи ^асположен на цент^альной частоте 3 ГГц (ши^ина спект^а сигнала 56 МГц). Помеха на цент^альной частоте 2,95 ГГц (п^евышающая по у^овню сигнал системы на 10 дБ) пока не мешает ^аботе системы. П^и пе^ест^ойке помехи на 3 ГГц п^оисходит изменение ^абочей частоты системы – система уходит на частоту 3,1 ГГц (см. п^авую часть ^исунка 6).

Способность пе^еходить на д^угую ^абочую частоту оказывается полезной и п^и ^аботе системы ^адиосвязи в сложных условиях ^асп^ост^а-нения ^адиоволн – в условиях многолучевости и зами^аний. Качество пе^едачи видеоинфо^ма-ции, нап^име^, п^и ^аботе в здании заметно улучшается. Высокая ско^ость пе^ест^ойки частоты с п^именением описанного алго^итма обеспечивается возможностями т^ансиве^а AD 9361. Но возможности мик^осхемы ог^аничивают число ^абочих частот (8 частотных точек). Если этого количества частот недостаточно, необходимо создание д^угой ^адиочастотной части системы.

3 ГГц, шаг 100 МГц Сигнал на частоте 3 ГГц, помеха на частоте 2,95 ГГц

3 ГГц, шаг 100 МГц Помеха на частоте 3 ГГц, сигнал перестроился на 3,1 ГГц

Рисунок 6. Иллюстрация «ухода» системы связи от помехи

Заключение

• 1.    П^оведены анализ и оптимизация в^е-менных па^амет^ов сигналов ши^окополосной системы связи, п^едназначенной для пе^едачи видеосообщений с повышенной помехоустойчивостью – обеспечивается п^ием сигналов п^и отношении «сигнал/шум» до –10 дБ [9-10].

• 2.    Раз^аботан механизм оценки состояния частотного канала, в кото^ом п^инимается полезный сигнал п^и малом отношении сигнал/шум (до –10 дБ).

• 3.    Раз^аботан механизм быст^ой пе^ест^ойки частоты (ухода от помехи) п^и обна^ужении помехи в основном канале.

• 4.    Экспе^иментально показано, что пе^едача видеосообщений п^и использовании станда^та сжатия Н.264 и ^аз^аботанного алго^итма быст-^ой пе^ест^ойки частоты обеспечивает наблюдение видео на п^иемной сто^оне п^актически без пе^е^ыва.

• 5.    Комбинация двух методов п^отиводействия помехам ^азличного ха^акте^а, как п^еднаме-^енным, так и случайным, повышает живучесть системы связи, обеспечивая тактическое п^еиму-щество в условиях п^оведения специальных опе-^аций.