Содержание к диссертации
Введение
1 Общая характеристика систем телекоммуникаций декаметрового диапазона радиоволн
1.1 Назначение и применение систем телекоммуникаций в декаметровом 18
1.2 Статистические характеристики сигналов передачи данных систем телекоммуникаций декаметрового диапазона
1.3 Характеристика помех, наиболее опасных для радиолиний 28
декаметрового диапазона
1.4 Постановка научной задачи исследования 32
Выводы по первому разделу 34
2 Математическое моделирование помехоустойчивых каналов передачи данных декаметрового диапазона ... 35
2.1 Модель канала передачи данных с жестким декодированием сигнала для земной волны 35
2.2 Модель канала передачи данных с мягким декодированием сигнала для земной волны 42
2.2.1 Структурная схема канала передачи данных 42
2.2.2 Аналитическая зависимость Рь = f[h0 J для мягкого декодирования сигнала
2.3. Модель канала передачи данных для ионосферной волны 48
2.3.1 Модель распространения ионосферной волны 48
2.3.2 Аналитические выражения для оценки вероятности ошибки в приёме бита сообщения и коэффициента исправного действия в канале передачи данных 52
2.3.3 Оценка коэффициента исправного действия канала передачи данных при мягком декодировании сигнала 60
2.3.4 Помехоустойчивость канала передачи данных с мягким декодированием сигналов 63
Выводы по второму разделу 67
3 Методика оценки помехоустойчивости алгоритмов корректирующего кодирования данных в системах телекоммуникаций декаметрового диапазона 69
3.1 Оценка влияния параметров корректирующих кодов на помехоустойчивость систем телекоммуникаций декаметрового диапазона 69
3.2 Алгебраический синтез недвоичных корректирующих кодов, исправляющих пакеты ошибок 72
3.3 Оценка статистических характеристик жесткого декодирования недвоичных кодов по алгоритму максимального правдоподобия 78
3.4 Перспективные алгоритмы каскадного кодирования данных и оценка их помехоустойчивости в системах телекоммуникаций декаметрового диапазона 90
3.4.1 Структурная схема алгоритма каскадного кодирования данных с мягким декодированием сигнально-кодовой конструкции 91
3.4.2 Оценка помехоустойчивости каскадного кодирования данных при мягком декодировании сигналов с относительной фазовой манипуляцией 93
3.4.3 Оценка помехоустойчивости каскадного кодирования данных при мягком декодировании избыточных сигналов с частотной манипуляцией 98
Выводы по третьему разделу 102
Заключение 103
Список литературы
- Статистические характеристики сигналов передачи данных систем телекоммуникаций декаметрового диапазона
- Структурная схема канала передачи данных
- Алгебраический синтез недвоичных корректирующих кодов, исправляющих пакеты ошибок
- Структурная схема алгоритма каскадного кодирования данных с мягким декодированием сигнально-кодовой конструкции
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Радиосвязь в декаметровом (ДКМ) диапазоне играет важную роль как средство магистральной, зоновой, подвижной и производственно-диспетчерской связи общего и ведомственного пользования. Несмотря на то, что в условиях быстрого развития высокоэффективных кабельных, в том числе и волоконно-оптических, сотовых, радиорелейных и спутниковых систем связи удельный вес и назначение ДКМ радиосвязи изменяются, возросла необходимость в ее технической реконструкции. Причиной этого являются положительные свойства ДКМ радиосвязи. Например, повреждение отдельных промежуточных станций радиорелейных линий, базовых станций сотовых систем связи при стихийных бедствиях или по другим причинам, выход из себя спутника-ретранслятора могут привести к полному и частичному нарушению функционирования Единой сети электросвязи России на значительных участках территории. В аналогичных условиях ДКМ радиосвязь может быть восстановлена в кратчайшие сроки при наименьших материальных затратах. Декаметровая связь, осуществляемая на больших расстояниях с помощью мобильных радиостанций небольшой мощности, имеет значительное преимущество перед проводной, сотовой, радиорелейной или спутниковой в условиях, когда требуемое число каналов связи невелико (радиосвязь с морскими судами, управление воздушным транспортом и т.п.)
В известных научных работах Финка Л.М., Кловского Д.Д., Головина О.В. установлено, что с увеличением вероятности возникновения нестационарной ситуации (природные катаклизмы, чрезвычайные условия военно-политической обстановки) выигрыш в надежности декаметровой связи повышается в 1,5 - 5 раз по отношению к другим родам связи, даже при использовании ионосферных волн, когда существуют замирания сигнала и «зоны молчания».
Поскольку радиосигнал в ДКМ диапазоне подвержен влиянию ионосферных возмущений, а сам диапазон чрезвычайно перегружен сигналами соседних мешающих станций, которые искажают передаваемые данные, то особые требования предъявляются к помехоустойчивости информационного обмена и заданной надежности существования радиолинии (коэффициент исправного действия должен иметь значение не менее 0,9).
В тоже время оценка помехоустойчивости декаметровых систем телекоммуникаций, использующих корректирующее кодирование данных с учётом коэффициента исправного действия (КИД) каналов передачи данных, в известных научных работах не проводилась, хотя известно, что корректирующее кодирование данных позволяет повысить помехоустойчивость.
Таким образом, несомненные преимущества ДКМ радиосвязи на большие расстояния, необходимость обеспечить заданные значения КИД в условиях ионосферных возмущений и помехоустойчивости кодированных каналов передачи данных систем телекомму-
никаций при одновременной работе соседних мешающих станций определяют актуальность темы диссертации.
Объект исследования – каналы передачи данных систем телекоммуникаций декаметрового диапазона.
Предмет исследования – математические модели каналов передачи данных, алгоритмы корректирующего кодирования и их статистические характеристики декодирования в системах телекоммуникаций декаметрового диапазона.
Цель исследования – оценить помехоустойчивость каналов передачи данных систем телекоммуникаций декаметрового диапазона с учетом коэффициента исправного действия и разработать технические предложения по её повышению.
Установлена противоречивость требований к параметрам кодирования данных, обеспечивающих заданные показатели помехоустойчивости и коэффициента исправного действия систем телекоммуникаций декаметрового диапазона, и сформулировано научное противоречие: с одной стороны, для повышения помехоустойчивости и коэффициента исправного действия канала передачи данных необходимо обеспечить его работу при невысоких значениях отношения сигнал/шум на входе радиоприемника, а с другой стороны, при невысоких отношениях сигнал/шум увеличивается вероятность ошибки в приеме бита сообщения (уменьшается достоверность информационного обмена), увеличение отношения сигнал/шум повышает достоверность информационного обмена, но снижает коэффициент исправного действия канала передачи данных.
Так как параметры корректирующего кодирования при фиксированной энергии сигнала (Ес=const) на передачу сообщения определяют отношение сигнал/шум на входе радиоприемника, следовательно, и коэффициент исправного действия канала передачи данных ДКМ диапазона, то актуальной является научная задача – разработка математических моделей помехоустойчивых каналов передачи данных для земной и ионосферной радиоволн, эффективных алгоритмов корректирующего кодирования данных с исправлением пакетов ошибок и методики оценки их помехоустойчивости для систем телекоммуникаций декаметрового диапазона.
Научные результаты, представляемые к защите:
-
Математические модели помехоустойчивых каналов передачи данных декаметрового диапазона для земной и ионосферных радиоволн.
-
Методика оценки помехоустойчивости алгоритмов корректирующего кодирования данных в системах телекоммуникаций декаметрового диапазона.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата теории вероятностей, статистической теории связи и передачи данных, тории кодов, исправляющих ошибки, сходимостью полученных аналитических оценок с результатами имитационного моделирования, проведенного в ходе ис-
следования, а также с известными оценками для частных случаев, опубликованными в центральной печати отечественными и зарубежными исследователями.
Научная новизна полученных результатов.
1. По первому научному результату разработаны следующие математические модели:
а) модели каналов передачи данных с жестким и мягким декодированием сигнала
для земной радиоволны;
б) модель канала передачи данных с мягким декодированием сигнала для ионосфер
ной радиоволны.
Научной новизной математической модели канала передачи с жестким декодированием сигнала для земной радиоволны являются новые аналитические выражения для оценки вероятности битовой ошибки, которые, в отличие от известных, определяют функциональные взаимосвязи между параметрами радиопередатчика, радиолинии и радиоприемника на заданной дальности радиосвязи.
Научной новизной математической модели канала передачи данных с мягким декодированием сигнала для земной радиоволны являются:
– алгоритм формирования проверочных символов для двоичного композиционного кода с байтовой структурой информационных сообщений;
– новые аналитические зависимости вероятности битовой ошибки при мягком декодировании от отношения сигнал/шум для сигналов с относительной фазовой и частотной манипуляцией, а также от параметров сигнально-кодовой конструкции и радиолинии на заданной дальности радиосвязи.
Новизна математической модели канала передачи данных с мягким декодированием сигнала для ионосферной волны состоит в том, что получены новые аналитические выражения для оценки помехоустойчивости ДКМ канала передачи с мягким декодированием сигнально-кодовой конструкции, в которых, в отличие от известных, учитывается не только отношение сигнал/шум на входе радиоприемника, но и параметры модуляции сигнала и корректирующего композиционного кодирования данных при заданных требованиях на вероятность битовой ошибки и значение КИД.
Научной новизной второго результата является то, что разработанная методика оценки помехоустойчивости алгоритмов каскадного кодирования данных, в отличие от известных, содержит:
– аналитические выражения для алгебраического синтеза новых недвоичных эквидистантных корректирующих кодов, исправляющих пакеты ошибок, которые, в отличие от известных, имеют кодовое расстояние, равное длине кодовой комбинации;
– новые аналитические выражения для оценки статистических характеристик оптимального декодирования эквидистантных недвоичных кодов, имеющих кодовое расстояние, равное длине кода;
новый алгоритм каскадного кодирования данных, в котором , в отличие от известных, в качестве внешнего кода используются новые недвоичные эквидистантные коды с кодовым расстоянием, равным длине кода, допускающие их оптимальное декодирование, а в качестве внутреннего кода используются двоичные композиционные коды, которые обеспечивают существенный энергетический выигрыш кодирования за счет их мягкого декодирования;
новые аналитические выражения для оценки помехоустойчивости и эффективности алгоритмов каскадного кодирования данных, которые, в отличие от известных, учитывают вид и параметры модуляции сигнала, параметры внешнего и внутреннего кодов, а также методы их декодирования, уровень порогового напряжения, по которому осуществляется режекция наиболее опасных помех, долю полосы рабочих частот, порожаемой помехами.
Теоретическая значимость диссертации. Применительно к системам телекоммуникаций ДКМ диапазона сформулировано и доказано утверждение о существовании эквидистантных недвоичных кодов, у которых кодовое расстояние равно длине кода, допускающих оптимальное декодирование принятых данных с исправлением пакетов ошибок.
Практическая значимость результатов диссертации состоит в том, что технические решения на их основе позволяют увеличить дальность радиосвязи в 1,22 раза при работе земной волной за счет мягкого декодирования принимаемой сигнально-кодовой конструкции. При работе ионосферной волной применение мягкого декодирования сигнала позволяет обеспечить требуемые значения КИД (ки) при значительно меньших мощностях радиопередатчика (в 3-5 раз по сравнению с используемым жестким декодированием). При этом вероятность битовой ошибки Рв <10"5, отношение сигнал/шум на входе радиопри-
емника h0 <2, значение ки>0,9, а требуемая мощность радиопередатчика не превышает 10
кВт, помехоустойчивость канала передачи данных увеличивается на 4,2 дБ по отношению к жесткому декодированию данных.
Применение новых алгоритмов каскадного кодирования данных позволяет исправлять пакеты ошибок длиной выше 500 двоичных символов и обеспечивать заданную достоверность приема данных при поражении помехами до 45% рабочей полосы частот.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях и семинарах в Военной академии им. Петра Великого (филиал в г. Серпухове Московской области), Московском ТУСИ, ГСКБ «Алмаз-Антей» им. академика А.А. Расплетина, Воронежском ВИАУ, Калужском НИИ телемеханических устройств.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 5 научных статей в рецензируемых изданиях и 17 научных работ в других изданиях, получено 3 патента на полезные модели и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Внедрение результатов исследования:
– в МОУ «Институт инженерной физики» в ОКР «Жасмин-Д-ИИФ»;
– в образовательном процессе Учебного центра «Интеграция» Московского авиационного института (Национального исследовательского университета).
Личный вклад соискателя. Соискателем определено научное противоречие и решена поставленная научная задача, разработаны математические модели каналов передачи данных декаметрового диапазона для земной и ионосферной волн, получены аналитические выражения для оценки КИД и исследована его зависимость от параметров канала передачи, разработаны структурная схема алгоритма каскадного кодирования данных с мягким декодированием сигнально-кодовой конструкции и методика оценки помехоустойчивости каскадного кодирования.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех разделов, заключения и списка использованных источников из 77 наименований. Общий объем работы составляет 113 страниц, включающих 12 рисунков и 23 таблицы.
Статистические характеристики сигналов передачи данных систем телекоммуникаций декаметрового диапазона
Первый раздел диссертации посвящён общей характеристике систем телекоммуникаций декаметрового диапазона. Установлено, что оперативные и эксплуатационные характеристики и параметры современных ДКМ систем телекоммуникаций повышаются благодаря использованию автономных источников питания, созданию радиостанций небольшой мощности с небольшими габаритами контейнерного размещения и совмещёнными приёмной и передающей частью. При работе с широкополосными логопериодическими антеннами такие радиостанции позволяют строить как узкополосные, так и широкополосные системы телекоммуникаций с весьма высокими оперативными показателями (скорость передачи данных, число каналов связи, дальность радиосвязи, помехоустойчивость, коэффициент исправного действия). Применительно к объекту исследования определены два уровня для анализа: - физический уровень, на котором электрические сигналы, переносящие информационные сообщения, существуют с некоторой вероятностью, определяющей коэффициент исправного действия; - канальный уровень, где контролируются (обнаруживаются и исправляются) ошибки в принятых данных.
При анализе статистических характеристик сигналов передачи данных систем телекоммуникаций декаметрового диапазона определены математические модели сигналов и помех и установлено, что замирания и многолуче-вость, возникающие при распространении ионосферной волны, вызывают амплитудно-частотные и временные искажения импульсов телекодовой информации, которые порождают пакеты ошибок.
В разделе представлена формулировка решаемой научной задачи.
Второй раздел диссертации посвящён математическому моделированию помехоустойчивых каналов передачи данных декаметрового диапазона.
В результате исследования разработаны следующие математические модели, которые представляются к защите. 1. Модели каналов передачи данных с жёстким и мягким декодированием сигнала для земной радиоволны.
2. Модель канала передачи данных с мягким декодированием сигнала для ионосферной радиоволны.
Научной новизной математической модели канала передачи с жёстким декодированием сигнала для земной радиоволны являются новые аналитические выражения для оценки вероятности битовой ошибки, которые, в отличие от известных, определяют функциональные взаимосвязи между параметрами радиопередатчика, радиолинии и радиоприёмника на заданной дальности радиосвязи.
Научной новизной математической модели канала передачи данных с мягким декодированием сигнала для земной радиоволны являются:
- алгоритм формирования проверочных символов для двоичного композиционного итеративного кода с байтовой структурой информационных посылок;
- новые аналитические зависимости вероятности битовой ошибки при мягком декодировании сигналов от отношения сигнал/шум для сигналов с относительной фазовой и частотной манипуляцией;
- новые аналитические выражения для оценки вероятности битовой ошибки, которые, в отличие от известных, устанавливают функциональные взаимозависимости между параметрами модуляции и кодирования сигнала, радиопередающего и радиоприёмного трактов на заданной дальности радиосвязи и позволяют прогнозировать возможное увеличение дальности радиосвязи при заданной мощности радиопередатчика.
Научной новизной математической модели канала передачи данных с мягким декодированием сигнала для ионосферной радиоволны являются: - результаты оценки коэффициента исправного действия и выявленное противоречие между требованиями по достоверности принимаемого сообще ния (или вероятности битовой ошибки) и по отношению сигнал/шум на входе радиоприёмника; - выражения для оценки помехоустойчивости ДКМ канала передачи данных с мягким декодированием сигналов, которые, в отличие от извест ных, учитывают не только отношение сигнал/шум на входе радиоприёмника, но и параметры модуляции и кодирования сигнала при заданных требованиях на вероятность ошибки и значение КИД канала передачи.
В третьем разделе диссертации разработана методика оценки помехоустойчивости алгоритмов корректирующего кодирования данных в системах телекоммуникаций декаметрового диапазона. В ходе исследования установлено, что нестационарность параметров ионосферной волны вызывает пакетирование ошибок в канале передачи данных.
В разделе представлен математический аппарат алгебраического синтеза новых недвоичных эквидистантных корректирующих кодов, исправляющих пакеты ошибок. В отличие от известных недвоичных кодов Рида-Соломона, такие коды имеют кодовое расстояние, равное длине кодовой комбинации, число разрешённых кодовых комбинаций равно основанию кода и, что весьма важно, они допускают оптимальное декодирование в реальном масштабе времени.
Методом имитационного моделирования получены новые аналитические выражения для статистических характеристик оптимального декодирования недвоичных кодов, имеющих кодовое расстояние, равное длине кода.
Разработаны перспективные алгоритмы каскадного кодирования данных и методика оценки их помехоустойчивости в системах телекоммуникаций декаметрового диапазона, которые имеют научную новизну: - во-первых, реализована новая идея каскадного кодирования данных, где в качестве внешнего кода (кода первой ступени) используются новые не двоичные коды с кодовым расстоянием, равным длине кода, и допускающие оптимальное декодирование, а в качестве внутреннего кода (кода второй сту пени) используются двоичные композиционные коды, которые обеспечивают существенный энергетический выигрыш кодирования за счёт мягкого итера тивного декодирования;
Структурная схема канала передачи данных
Характеристика сигналов передачи данных и помех, наиболее опасных для радиолиний ДКМ диапазона, позволила установить, что наиболее вероятное отношение сигнал/шум на входе радиоприёмника Л 10. Это значит, что коэффициент исправного действия канала передачи данных системы телекоммуникаций при hi 10 будет близок к единице (на практике считают ки 0,95).
Такая ситуация, обусловленная замираниями сигнала и действиями помех, порождает научное противоречие: - с одной стороны, для повышения коэффициента исправного действия канала передачи данных систем телекоммуникаций к п Р , где Р1 -мощность радиопередатчика, требуется уменьшать отношение сигнал/шум h0 , по которому принимается решение о достоверности (или ошибке) принятого бита сообщения; - с другой стороны, уменьшение h0 на входе радиоприёмника вызывает формирование пакетов ошибок в принятом сообщении и увеличение ве V «У роятности ошибки в приёме сообщения Pb=f Так как помехоустойчивость системы передачи данных равна П = при 2 к Ес = const; Pb=f\hl,) Pb тр ; (1.9) V п) ки=МЯ) Кт р: где Ес - энергия сигнала на передачу сообщения, равная Ес = Р{ГС, Тс - длительность сигнала; к — - скорость корректирующего кода, то разрешение указанного противоречия в системах телекоммуникаций ДКМ диапазона возможно только эф 33 фективными алгоритмами корректирующего кодирования данных с исправлением пакетов ошибок.
Для их разработки требуется решить актуальную научную задачу. Заданы: - модель флуктуирующего сигнала в декаметровом диапазоне волн uc(t) = U(t)cos[(d0t + Q(t)] и распределение вероятностей случайных амплитуд U(t) в виде выражения (1.5) и фаз в виде выражения (1.7); - плотность вероятностей огибающей помехи в виде выражения (1.6); - требования по вероятности ошибки Ръ Рьтр и по значению коэффициента исправного действия ки ктр.
Требуется: - разработать математические модели помехоустойчивого канала пере дачи данных: 1) для земной волны Рь=/(Ръкък2,Сък/п, ,Х) при r = f(P1Xhl,h2,G1) = const, (1.10) где Нъп2 - высоты поднятия передающей и приёмной антенн, соответственно, над поверхностью Земли; Gl - коэффициент усиления передающей антенны; X - длина волны; г - дальность радиосвязи; 2) для ионосферной волны
Рь=/{РъОък1п,к1Хг) при ku =f{pbhl) kт р; (1.11) - разработать эффективные алгоритмы корректирующего кодирования данных с исправлением пакетов ошибок и определить численные оценки вероятностей Ръ, коэффициента исправного действия ки и помехоустойчивости П при Ръ = const, ки = const.
В известной научной литературе решение такой задачи не проводилось [1,17,18,44,50]. Выводы по первому разделу
1. Анализ тактико-технических характеристик существующих средств передачи данных декаметрового диапазона позволил установить: - радиопередающие устройства имеют сквозной широкополосный тракт, что позволяет значительно сократить время перехода с одной рабочей частоты на другую; - применение широкополосных логопериодических антенн позволяет строить как узкополосные, так и широкополосные системы передачи данных с весьма высокими показателями по дальности и скорости передачи данных, помехоустойчивости и коэффициенту исправного действия.
2. Декаметровая радиосвязь в телекоммуникационных системах находит применение в службах гражданского, военного и двойного назначения.
3. Обоснована актуальность темы исследования для систем телекоммуникаций, функционирующих в нестационарных ситуациях (природные катаклизмы, чрезвычайные условия военно-политической обстановки). При этом установлено, что преимущество в надёжности систем передачи данных декаметрового диапазона по отношению к проводным или радиорелейным системам составляет от 1,4 до 5 раз.
4. Определены статистические характеристики сигналов передачи данных и характеристики помех, наиболее опасных для систем телекоммуникаций декаметрового диапазона.
5. Установлено противоречие между требованиями на коэффициент исправного действия канала передачи данных с ионосферной волной и вероятностью ошибки в приёме бита сообщения, определяющей помехоустойчивость системы телекоммуникаций.
Алгебраический синтез недвоичных корректирующих кодов, исправляющих пакеты ошибок
В таблице 2.10 представлены диапазоны изменения медианных значений напряжённости электрического поля в точке приёма для односкачковой радиолинии («0=1) на дальности г = 2000 км и двускачковой радиолинии (и0=2)на дальности г = 5000 км при различных значениях мощности радиопередатчика Р1 (значение Gx = 20). Таблица 2.10 – Оценки E Vмy для п0 =\ и п0 = г = 2000 км, ло=1,а1=20 г = 5000км, ло=2,а1=20 Р1 = 1 кВт Р1=10кВт Р1=10кВт / =40кВт X (60...70) м X (15...40) м X (60...70) м X (15...40) м X (60...70) м X (15...40) м X (60...70) м X (15...40) м 4,8-Ю-8... 2ДЗ-10-6 8,7-Ю-6... 3,3-Ю-5 1,51-Ю-7... 6,71-Ю-6 1,525-Ю-5... 1,36-Ю-10... 4,44-Ю-7... 1,05-Ю-4 2,65-Ю-8 6,5-Ю-6 2,72-Ю-10... 5,3-Ю-6 8,9-Ю-7... 1,3-Ю-5 Зная оценки E, по выражению (2.10) можно определить диапазон изменений отношения сигнал/шум. Расчёты показывают, что наибольшее значение /г02 =2-105, наименьшее «о = 0,5, при этом значение AF выбиралось равным 8-Ю3Гц. По известным зависимостям [12] для жёсткого декодирования сигналов при релеевских замираниях Ръ 2 + К (2.30) можно определить вероятность ошибки в приёме бита сообщения.
Однако представленные выражения не позволяют решить задачу определения коэффициента исправного действия, при котором будут выполняться условия по вероятности Рь.
Кроме того, при hi 2-105 уровень входного сигнала превосходит границы динамического диапазона радиоприёмника, что приводит к нежелательным нелинейным искажениям сигнала, которые порождают помеховые комби 58 национные составляющие [71], увеличивающие вероятность Ръ . При малых от ношениях /г0 10 жёсткое декодирование (демодуляция) сигнала в условиях замираний не может вообще обеспечить требуемое значение Ръ .
Поэтому для поддержания уровня сигнала на входе радиоприёмника в пределах динамического диапазона используют аттенюаторы и схему автоматической регулировки усиления (АРУ) [26]. Однако автоматическая регулировка усиления сигнала в радиоприёмнике не позволяет увеличивать отношение h0 на входе первой решающей схемы (демодулятора) при слабых уровнях полезного сигнала), т.е. при значениях 1(Г7В/м.
Принято считать [50], если hi 1000, то нет необходимости рассчитывать значение ки, так как в этом случае ки 0,95. Однако остается открытым вопрос - какой мощностью радиопередатчика Р1 обеспечиваются эти значения ho и К
Представленный анализ замираний сигнала позволяет сделать вывод, что средняя вероятность ошибочного приёма бита сообщения Ръ является полезной, но далеко не полной характеристикой достоверности принятого символа в канале передачи данных с замираниями, когда длительность передаваемого сообщения превышает средний период замираний.
Поэтому ДКМ каналы передачи данных с ионосферной волной будем характеризовать вероятностью того, что за время сеанса передачи данных вероятность Ръ не превысить некоторой допустимой величины, т.е. ки{РъРА) при Pb = /(/?2) " ; (2.31) г = f{px) = const.
Физический смысл такой вероятности и есть коэффициент исправного действия канала передачи данных с ионосферной волной. К сожалению, многие исследования и расчёты декаметровых каналов передачи значения ки не учитывают [12]. Известно [50], что значение ku определяется выражением - даже при наибольшем значении F = 8,6-10"2 (лучший вариант прохождения радиоволн) требуемая мощность радиопередатчика составляет десятки кВт; - для уменьшения требуемой мощности радиопередатчика Р1 первая ре шающая схема радиоприёмника должна работать при hi 10, однако в этом случае значение вероятности Ръ не гарантирует требуемой достоверности приёма переданного сообщения; - увеличение значения h0 гарантирует требуемое качество информацион ного обмена (вероятность Ръ уменьшается), однако при /202=100 требуются мощности Р1 100 кВт, при которых ки 0,84.
Таким образом, жёсткое декодирование (демодуляция) принимаемого сигнала не позволяет обеспечить требуемое значение вероятности Ръ при от ношениях h0 10.
Оценка коэффициента исправного действия канала передачи данных при мягком декодировании сигнала Установлено (таблица 2.11), чем меньше значение отношения сигнал/шум h02 требуется на входе радиоприёмника при Р1 = const, тем выше значение ки . Однако при жёстком декодировании принимаемых сигналов в этом случае повышается вероятность ошибки Ръ.
Мягкое декодирование принимаемых сигналов позволяет обеспечивать вероятность Ръ 10 при h0 2, а значение ки при таких h0 превышает 0,8. Очевидно, применение композиционного кодирования данных и их мягкое декодирование (рисунок 2.2) позволяет разрешить противоречие между требова ниями по вероятности Ръ, где значение h0 должно быть большим, и по значе нию ки, где отношение /T0 должно быть невысоким, и его можно обеспечить небольшими мощностями радиопередатчиков Р1 = (1 -10) кВт.
Определим взаимозависимость между мощностью радиопередатчика Р1, вероятностью Ръ и коэффициентом действия ки на заданной дальности передачи г.
Постановка задачи Известны: - выражение для оценки ки (2.32), где ки = /(Р1,п0 ,F); - оценки значений коэффициента ослабления (таблицы 2.8 и 2.9); - выражение для вероятности Ръ (2.21) при мягком декодировании прини маемых сигналов. Требуется: - определить значения коэффициентов исправного действия ки и мощно сти радиопередатчика Рх для F = const, h0 = const; - сравнить значения ки и мощности радиопередатчиков Рх при F = const и h0 = const для жёсткого и мягкого декодирования принимаемых сигналов.
Структурная схема алгоритма каскадного кодирования данных с мягким декодированием сигнально-кодовой конструкции
Наличие замираний в каналах передачи данных, использующих ионосферные волны, приводит к крайне опасному явлению пакетирования ошибок. В этом случае, если корректирующая способность кода не превышает длину пакета ошибок, то код становится бесполезным.
Установлено [44, 73], что недвоичные коды весьма эффективны для исправления пакетов ошибок и их целесообразно использовать в системах телекоммуникаций декаметрового диапазона. Покажем это на примере известного недвоичного (основание q = 256) кода Рида-Соломона с параметрами [44]: - длина кода N=155; - число информационных символов =247; - каждый информационный недвоичный символ содержит т = log q = 8 бит данных; - числЗо исправляемых недвоичных ошибок Ти = 4, т.е. исправляется двоичный пакет ошибокп =Tи -т = 32 двоичных символов без учёта харак тера искажений, причиненных недвоичному символу.
Это дает недвоичным кодам существенное преимущество при наличии замираний сигнала (или при наличии импульсных помех в каналах передачи) по сравнению с двоичными кодами (даже при использовании в двоичном коде процедуры перемежения кодовых комбинаций) [44].
Структурная схема алгоритма каскадного кодирования данных с мягким декодированием сигнально-кодовой конструкции
Основной причиной использования каскадного кодирования данных является низкая степень избыточности, а сложность реализации кодирования и декодирования меньше той, которая потребовалась бы для осуществления отдельной процедуры кодирования длинным кодом с тем же числом информационных символов. При исследовании двоичных и недвоичных кодов установлено [61, 63, 73]: - недвоичные коды для получения выигрыша в уменьшении вероятно сти Рв требуют либо значительного расширения занимаемой полосы частот (при частотной модуляции сигнала может достигаться теоретический предел К. Шеннона), либо значительного увеличения отношения сигнал/шум на бит при фазовой модуляции сигнала; - недвоичные коды позволяют исправлять пакеты ошибок большей длины по сравнению с двоичными на эквивалентной длине кодов; - двоичные композиционные итеративные коды с мягким декодированием сигнала позволяют в наибольшей степени приблизиться к теоретическому пределу К. Шеннона по помехоустойчивости в гауссовском канале передачи данных, и при этом только в два раза расширяется полоса рабочих частот по сравнению с некодируемым сигналом, однако не могут противо стоять преднамеренным помехам с мощностью, превышающей мощность полезного сигнала, и не могут исправлять пакеты ошибок.
Исходя из этого, очевидна объективная возможность построения новой платформы каскадного кодирования данных, где в качестве внешнего кода (кода первой ступени) будет использоваться недвоичный код, в отличие от известных, допускающий оптимальное декодирование в реальном масштабе времени, а в качестве внутреннего (кода второй ступени) – двоичный композиционный код, допускающий эффективное мягкое декодирование в условиях воздействия преднамеренных помех и замираний сигнала, порождающих пакеты ошибок.
Выше обоснована возможность синтеза внешнего недвоичного кода (q=256), который, в отличие от известных недвоичных кодов Рида-Соломона, позволяет работать при больших допустимых значениях вероятности ошибочного приёма недвоичного символа кода Pq на выходе мягкого декодера (или на входе внешнего декодера), обеспечивая при этом заданную вероятность ошибочного приёма бита сообщения.
Согласованы параметры внешнего недвоичного кода и двоичного внутреннего кода (внутренний код должен иметь число информационных символов k, которое обеспечивало бы равенство q=2k , и допускает при этом мягкое декодирование в условиях воздействия наиболее опасных помех, для чего предусмотрена режекция таких помех по уровню напряжения Uпопт ).
Параметры недвоичного внешнего кода обеспечиваю реализацию его оптимального декодирования во внешнем декодере в режиме исправления пакетов ошибок. Последнее и отличает режим декодирования внешнего кода от используемых в системах телекоммуникаций [44].
Для разработки технических предложений по реализации указанной платформы каскадного кодирования данных определим помехоустойчивость алгоритмов каскадного кодирования при двух условиях: - для передачи двоичных кодовых комбинаций с выхода внутреннего кодера используется сигнал с относительной фазовой манипуляцией; - для передачи кодовых комбинаций с выхода внутреннего кодера используется избыточный (m 1)сигнал с частотной манипуляцией.
