Содержание к диссертации
Введение
1. Направления исследований по разработке современных систем ЖАТ 9
1.1. Состояние и направления развития систем ЖАТ 9
1.2. Современные и перспективные системы обеспечения безопасности движения поездов 13
1.3. Применение радиоканалов в современных системах ЖАТ 21
1.4. Методы повышения верности передачи информации по каналам ЖАТ 26"
1.5. Постановка цели и задач исследований 31
2. Исследование алгоритмов повышения помехозащищенности каналов передачи информации в системах ЖАТ 35
2.1. Теоретические предпосылки повышения помехозащищённости каналов передачи информации систем ЖАТ 35
2.2. Исследование возможности практической реализации канала передачи информации с пгумоподобными сигналами 41
2.3. Исследование помехоустойчивости линейного модема
3. Разработка научных основ моделирования линейного модема 63
3.1. Расчет шумоподобного несущего колебания, адаптированного к помехам 63
3.2. Моделирование процесса адаптации сигнала-переносчика к помехам 71
3.3. Алгоритм расчета и примеры моделирования адаптированного к помехам шумоподобного несущего колебания
3.4. Моделирование взаимных преобразований дискретных сигналов в цифровых каналах СЖАТ 83
Выводы 93
4. Исследование алгоритма повышения помехоустойчивости путем накопления полезного сигнала 94
4.1. Разработка схемы линейного модема, реализующего накопление полезного сигнала 94
4.2. Разработка алгоритма моделирования режима накопления сигнала 97
4.3. Оценка эффективности весового накопления сигнала 100
4.4. Результаты моделирования весового накопления для различных распределений уровня помех , 103
Выводы 110
5. Практические приложения исследований для железнодорожного транспорта 111
5.1. Помехозащищенная система пакетной передачи сообщений 111
5.2. Формирование канальных сигналов на выходе линейно-параметрического модулятора 116
5.3. Способ и устройство для повышения точности восстановления в системах, использующих накопление сигналов 125
5.4. Бортовая сеть связи подвижного состава 130
Выводы 139
Заключение 141
Литература
- Применение радиоканалов в современных системах ЖАТ
- Исследование возможности практической реализации канала передачи информации с пгумоподобными сигналами
- Алгоритм расчета и примеры моделирования адаптированного к помехам шумоподобного несущего колебания
- Результаты моделирования весового накопления для различных распределений уровня помех
Введение к работе
Актуальность исследований. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) – основное средство управления движением поездов. Необходимость повышения безопасности движения, увеличения пропускной способности приводит к усложнению СЖАТ, возложению на них новых функций, требующих применения современных информационных технологий и надежных каналов передачи информации («Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.» – Белая книга ). СЖАТ сегодня рассматриваются как составная часть систем управления и обеспечения безопасности движения, в которых роль и требования к каналам передачи информации существенно повышаются («Концепция многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов» ВНИИАС, 2003г.). Зарубежный и отечественный опыт указывает на то, что наряду с традиционными средствами контроля и регулирования движения поездов – рельсовые цепи, проводные каналы связи и др. необходимо использовать новые принципы и системы, в частности цифровые радиоканалы. При этом должна быть обеспечена высокая надежность передачи информации. Для повышения надежности необходимо повышать помехоустойчивость физических каналов передачи информации.
Цель и задачи исследований. Целью данной диссертационной работы является разработка помехоустойчивых методов передачи информации по каналам СЖАТ и оценка их эффективности по критерию максимума отношения сигнал/помеха. Для достижения цели поставлены и решены следующие научные задачи:
1. Анализ СЖАТ с точки зрения используемых в них физических каналов передачи информации и методов повышения их помехоустойчивости.
2. Разработка метода передачи информации, основанного на отображении передаваемого сообщения (команды) на шумоподобный сигнал-переносчик путем их математической свертки. Оценка эффективности метода по критерию выигрыша отношения сигнал/помеха для разнообразных законов распределения помех.
3. Разработка алгоритма расчета шумоподобного сигнала-переносчика, адаптированного к помехам в канале и проверка его эффективности путем математического моделирования.
4. Разработка метода весового накопления полезного сигнала по критерию коэффициента корреляции и оценка его эффективности при разнообразном характере помех.
Методы исследования. В ходе исследования автором применялись методы теории вероятностей, теории случайных процессов, компьютерного моделирования и физического эксперимента. Решение ряда задач производилось с использованием теории корреляционного анализа, спектрального анализа Фурье и теории дискретизации сигналов.
Научная новизна полученных результатов.
1. Предложен метод многопараметрической модуляции шумоподобного сигнала-переносчика путем его свертки с фрагментом (пакетом) передаваемого сообщения. Высокая помехоустойчивость метода достигается:
– за счет того, что предаваемое сообщение отображается не на один параметр несущего колебания, как в известных видах амплитудной или угловой модуляции, а на все его параметры (отсчетные значения); при этом в каждом отсчетном значении сигнала в канале содержится информация обо всем фрагменте передаваемого сообщения;
– шумоподобный сигнал в канале может быть адаптирован к энергетическому спектру помех таким образом, чтобы на выходе канала достигалось максимально возможное отношение сигнал/помеха;
– метод позволяет реализовать весовое накопление полезного сигнала, устойчивое к аномально большим выбросам помех и кратковременным пропаданиям сигнала.
2. Показано, что предложенный метод обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха. Выигрыш тем больше, чем более сложные сигналы используются для передачи и чем более неравномерен энергетический спектр помех в канале, что особенно характерно для железнодорожного транспорта.
3. Предложен новый алгоритм расчета адаптированного к помехам шумоподобного сигнала-переносчика, основанный на переводе сигналов с оси времени на ось частот, что позволяет избежать вычисления обратных матриц высокого порядка.
4. Получены уточненные формулы для взаимного пересчета сигналов с оси времени на ось частот и обратно.
5. Предложен новый метод весового накопления полезного сигнала по критерию величины коэффициента корреляции. Проведена оценка выигрыша весового накопления перед простым накоплением в условиях резко нестационарных помех либо кратковременных пропаданиях полезного сигнала.
Практическая значимость полученных результатов. Теоретические исследования, а также предложенные варианты технического решения основных узлов аппаратуры, реализующей новые методы, подтверждают возможность внедрения результатов исследований в существующие и перспективные каналы передачи информации СЖАТ. Полученные результаты применимы к радиоканалам, используемым в современных СЖАТ и системах управления и обеспечения безопасности движения. Однако, выводы, полученные в результате исследований справедливы и для других физических каналов передачи информации, по которым передаются сигналы телеметрии, телесигнализации, телеуправления, аварийной сигнализации, текстовых и цифровых сообщений, статических изображений и оцифрованной аналоговой информации – голоса, аудио, видеоизображения. Результаты исследований использовались при лабораторных испытаниях элементов беспроводной бортовой сети связи пассажирского поезда, разрабатываемой в рамках НИР № 19.10.03/49 «Исследование возможностей повышения помехоустойчивости и информационной безопасности бортовой сети связи пассажирского поезда». Эти устройства могут применяться и в системах многих единиц транспорта (СМЕТ) длинносоставных тяжеловесных поездов.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: 58-й Научной сессии, посвященной Дню Радио (Москва, РЭНТОРЭС им. А.С. Попова, 2003); Урало-Сибирской научно-практической конференции (Екатеринбург, 2003); Научно-технической конференции «Безопасность информационного пространства» (Екатеринбург, 2003); Международной научно-практической конференции «Безопасность и логистика транспортных систем» (Самара, СРНЦ РАТ, 2004); Международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2004» (Екатеринбург, 2004); Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2004); Региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки на железнодорожном транспорте» (Челябинск, 2004); расширенных заседаниях каф. Связи и Электроники УрГУПС.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8-ми статьях и в патенте Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 62 наименований, 5 приложений. Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 57 рисунков и 1 таблицу.
Применение радиоканалов в современных системах ЖАТ
На протяжении нескольких десятилетий, начиная с 30-х годов прошлого века, аппаратура автоматики и телемеханики железнодорожного транспорта, называемая аппаратурой сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), строилась на основе использования электромагнитных реле и соответствующих схем контактных соединений. Эти схемы обеспечивали требуемые зависимости между показаниями светофоров, положениями стрелок и свободностью (или занятостью) участков пути или стрелочных секций. Требуемые показатели надежности функционирования аппаратуры и безопасности движения поездов реализовывались при помощи электромагнитных реле 1 класса надежности. В некоторых случаях, например в путевых или бортовых устройствах автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), использовались реле 2 класса надежности.
Для преобразования и передачи информации между функциональными узлами аппаратуры СЦБ использовались различные довольно простые каналы и виды связи. Например, передача информации в рельсовых цепях (РЦ), в зависимости от их вида, происходит на частотах переменного напряжения 25, 50 или 75 Гц с амплитудной модуляцией [1]. Позднее появились РЦ с более высокими частотами переменного тока, которые составляют несколько сотен герц. Импульсный режим работы РЦ переменного напряжения используется для передачи соответствующей информации с пути на локомотив.
Другими каналами передачи информации являются связи напольных функциональных узлов между собой и со станционными устройствами. Здесь переносчиком информации является постоянное или переменное напряжение частотой 50 Гц. Очевидно, что использование электромагнитных реле и при менение традиционных ламповых светофоров не требовало применения каких-либо специальных, в частности, высокочастотных видов преобразования информации. Некоторые специальные виды кодирования передаваемой информации применяются в системах диспетчерского контроля (ДК) и диспетчерской централизации (ДЦ), где частоты переменного напряжения, как переносчика информации, составляют несколько килогерц.
Связь машиниста с дежурными по станции или диспетчерами осуществляется при помощи радиостанций, работающих в диапазоне от единиц до сотен мегагерц. Здесь применяются известные классические методы модуляции AM или ЧМ.
Как видно из приведенного описания, структура связей функциональных узлов как станционной, так и перегонной аппаратуры СЦБ была довольно проста и, возможно, не требовалось разработки специальных каналов связи и особых методов преобразования передаваемой информации.
В середине прошлого века на сети железных дорог России появилась первая система автоматической локомотивной сигнализации числового кода (АЛСН). Система обеспечивала адекватное отображение показаний путевых (проходных) светофоров на светофоре, расположенном в кабине машиниста локомотива. Система стала «глазами» машиниста, особенно при неблагополучных метеорологических условиях, способствовала безопасности движения поездов по участкам, выполнению графика движения и пропускной способности железнодорожных участков.
Каналом связи между оборудованием путевых светофоров и локомотивной аппаратурой являются рельсовые цепи, по которым передавалась информация о показаниях путевых светофоров в виде незащищенного кодового сигнала, состоящего из двух-трех импульсов постоянного или переменного тока (в зависимости от вида электрической тяги). Для формирования кодового сигнала использовались, вплоть до настоящего времени, электромеханические устройства - маятниковый и электромагнитный трансмиттеры (сравни тельно недавно появились трансмиттеры на интегральных микросхемах), де-кодирование осуществлялось релейными схемами.
АЛСН успешно выполняли свои функции на не электрифицированных железнодорожных участках, а вот на участках с электрической тягой в работе устройств автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) стали проявляться сбои, обусловленные искажениями кодового сигнала помехами, создаваемыми гармониками тягового тока, протекающего по рельсам, помехами, создаваемыми сигналами устройств, использующих рельсовые цепи, поме-ховыми сигналами в локомотивных катушках при намагничивании рельсов тяговыми токами и др.
На скоростных грузонапряженных участках сбои в работе системы АЛС оказывались настолько частыми, что использование АЛСН становилось бессмысленным. Это заставило перейти к отыскиванию мер по повышению помехоустойчивости систем АЛС. Так появилась система АЛСЧ, в которой кодовый сигнал был представлен комбинацией из двух (из пяти) синусоидальных сигналов.
В системе АЛСТ, применяемой на рельсовых цепях без изолированных стыков, кодовые сигналы были представлены амплитудно-модулированными сигналами с несущими частотами 425 и 415 Гц и частотами модуляции 8 и 12 Гц. Однако и эти нововведения не позволили решить задачу повышения помехоустойчивости систем АЛС для применения их на грузонапряженных участках с высокоскоростным движением. Тогда стало создаваться мнение о нецелесообразности построения АЛС с использованием рельсовых цепей, и высказано предложение перейти к системам интервального регулирования поездов (ИРДІЇ) с использованием счетчиков осей подвижного состава.
Между тем в середине 80 гг специалистами МИИТ и ВНИИАС МПС совместно с рядом других организаций была разработана новая система АЛС, использующая передачу информации по рельсовому каналу. В этой системе (аббревиатура АЛС-ЕН) для передачи с пути на локомотив по рельсовому каналу был использован кодовый сигнал в виде восьмиразрядных комбина ций самосинхронизирующего модифицированного кода Баура, передаваемых на основе двухкратной фазоразностной модуляции на частоте 175 Гц.
Использование в АЛС-ЕН относительной фазовой модуляции и поме-хозащищенного кода позволило достичь высокой помехоустойчивости системы, уменьшить мощность передающих устройств, значительно повысить информативность (кроме передачи показаний путевых светофоров, передавать информацию о числе свободных впереди поезда блок-участков (до шести), о значениях скорости проследования очередного светофора (16 градаций от 0 до 200 км/ч), о длине впереди лежащего блок-участка (он больше или меньше тормозного пути поезда), о движении поезда по перегону, главному или боковому станционному пути и др.
Исследование возможности практической реализации канала передачи информации с пгумоподобными сигналами
Под помехозащищенностью понимается способность системы передачи информации, использующей конкретный канал связи, противостоять как непреднамеренным помехам естественного или техногенного происхождения, так и преднамеренным воздействиям, направленным на разрушение или искажение передаваемой информации. Последний аспект функционирования систем передачи информации вообще, и систем ЖАТ в частности, стал актуален в связи с возникновением новых экономических и политических реалий. В современных условиях информация должна быть защищена, и тем надежней, чем более ответственная задача решается на ее основе [20, 21, 22].
В системах ЖАТ, где вся передаваемая информация напрямую влияет на безопасность движения, в настоящее время кроме требования высокой помехоустойчивости должен учитываться и фактор защиты от преднамеренных воздействий [23]. Примерами таких воздействий могут служить вандализм (хакерские атаки, проникновение программных вирусов) и террористические атаки с целью разрушить систему обеспечения безопасности движения поездов, что повышает вероятность аварийной ситуации.
В ходе исследований, проведенных в данной диссертационной работе, наряду с основной задачей повышения помехоустойчивости каналов передачи информации, учитывалось и требование защиты ответственной информации (команд, сигналов, телеметрии, телеконтроля) от преднамеренных воздействий. Помехоустойчивость каналов передачи информации, учитывая специфику железнодорожного транспорта, создающего беспрецедентно высокий уровень электромагнитных помех, всегда была определяющей характеристикой их надежности. Как показал Шеннон [24], чем больше пропускная способность канала передачи информации, тем больше возможностей повысить помехоустойчивость за счет введения в передаваемые сообщения избыточности в виде служебных символов, позволяющих исправлять ошибки в принимаемых сообщениях. Иначе говоря, сохраняя скорость передачи основной информации (цифровой или аналоговой), можно повышать вероятность правильного приема.
Известно, что, если считать помеху «белой», т.е. имеющую равномерный энергетический спектр во всем диапазоне частот, то помехоустойчивость приемника определяется отношением энергии полезного сигнала к спектральной плотности помех [25]
Из формулы видно, что энергия сигнала равна площади под его спектральной функцией; если площади равны, то Е\ = Е2, следовательно, в обоих случаях может быть обеспечена одинаковая помехоустойчивость.
Резерв в повышении помехоустойчивости имеется, если помеха имеет неравномерный энергетический спектр. Тогда, как доказано в [24], наибольшая скорость передачи информации определяется максимизацией интеграла
Назовем такое согласование мощности передатчика с энергетическим спектром помех адаптацией полезного сигнала к помехе в канале. Очевидно, что полезный сигнал для этого должен быть сложным шумоподобным. Использование шумоподобных сигналов требует сложных алгоритмов формирования передаваемых сигналов и обработки принимаемых сигналов, что затрудняет его техническую реализацию. Раньше он применялся ограниченно: в космической связи, у военных, в спецслужбах и др. [27]. Сегодня элементная база, позволяющая реализовать надежную аппаратуру связи, доступна для широкого применения. Прежде всего, это цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Стандарт сотовой связи CDMA уже использует эту технологию, а системы мобильной связи третьего поколения (3G) будут работать только с широкополосными сигналами [28].
Традиционные технологии отображения информации на сигнал-переносчик, такие, как частотная модуляция, фазная модуляция и их модификации, используют в качестве сигнала-переносчика простое синусоидальное колебание (сигнал S\ на рис. 2.1). Сравнительно новые виды модуляции: М-ичная ортогональная модуляцию (МОК); фазоимпульсная модуляция (РРМ); квадратурная амплитудная модуляция (QAM) и др., а также самые со временные способы расширения спектра, использующие шумоподобную несущую, например система SS-MS-MA [29], в которой применяются ортогональные расширяющие коды Уолша-Адамара, из-за детерминированности подобных кодов частично решают задачу, но не обеспечивают возможность адаптации шумоподобной несущей к помехам.
Известен способ импульсной частоти о-временной модуляции шумовой несущей ИЧВМ ШН [30, 31]. В этом способе по закону модулирующего сигнала изменяется центральная частота постоянно излучаемого шумового сигнала-переносчика, однако, данный вид модуляции является однопараметрическим, что снижает его потенциальную помехоустойчивость.
Сравнение известных видов модуляции с линейно-параметрической модуляцией шумоподобной несущей Все перечисленные способы, а также общеизвестные стандарты: GSM, TETRA, CDMA, использующие псевдослучайные бинарные последовательности относятся к однопараметрическим видам модуляции и не позволяют регулировать форму спектра полезного сигнала в канале [32]. Это положение поясняется на рис. 2.3.
В 50-х годах обсуждалась возможность использовать в качестве сигнала-переносчика реализации шума [33]. Однако, из-за сложности технической реализации эта технология не нашла практического применения. В настоящее время, благодаря достижениям теории обработки сигналов, схемотехники, микроэлектроники, сложные шумоподобные сигналы и оптимальные методы их обработки находят все более широкое применение [34]. Однако, не все потенциальные возможности повышения помехозащищенности систем передачи информации, использующих такие сигналы исчерпаны. В частности не исследованы вопросы формирования и обработки сигналов, адаптированных к энергетическому спектру помех, что, как следует из выражения (2.3), обеспечивает большую скорость передачи информации, которая, в свою очередь, может быть использована для повышения помехоустойчивости и верности информации. При этом повышается и способность противостоять преднамеренным воздействиям, поскольку применяемые сигналы «замаскированы» под помехи.
Известно, что увеличение сложности сигнала, численно характеризуемой удвоенным произведением ширины его спектра на длительность — базой сигнала (2FsTs ) может улучшить помехоустойчивость [35]. Естественно ожидать, что чем более сложные преобразования сигналов осуществляются в процессе модуляции и чем более сложные сигналы участвуют в этом процессе, тем больше возможностей повышать помехоустойчивость. Усложнение сигналов в отведенной для передачи полосе частот можно осуществить: - во-первых, путем выбора для несущего колебания не одной спектраль ной линии (синусоиды), а всего спектра; - во-вторых, воздействовать на несущее колебание ,не одним мгновенным значением модулирующего сигнала (как в традиционных видах модуляции), а всеми его отсчетными значениями на относительно длинном отрезке.
Кроме того, усложнение сигналов открывает возможность для адаптации полезного сигнала в канале к помехам, что позволяет получить дополнительный выигрыш в помехоустойчивости и повышении верности передачи информации по каналам.
Алгоритм расчета и примеры моделирования адаптированного к помехам шумоподобного несущего колебания
Однако, ни в самих этих выражениях, ни в ходе их вывода не учтены ограничения, связанные со свободой выбора отсчетных значений на оси времени и на оси частот. При произвольном выборе отсчетных значений взаимообратный пересчет по формулам (3.25) и (3.26) не дает совпадающего результата. На рис. ЗЛО приведены графики, полученные при взаимном пересчете по формулам Голдмана для случая, когда отсчетные значения сигнала выбраны произвольным образом.
В данном разделе предложены скорректированные формулы, дающие однозначное соответствие при взаимном пересчете произвольно выбранных отсчетных значений сигнала либо его Фурье-образа. Формулы проверены компьютерным моделированием.
Для того, чтобы преобразования были ортогональными, они должны быть сохраняющими меру преобразованиями [41]. Преобразование может быть сделано сохраняющим меру, если в формуле для вычисления квадратичного эффекта сигнала где: п = 2FT +1 - число отсчетных значений; yt - отсчетные значения вещественной и мнимой составляющих спектральной функции сигнала; х,- — отсчетные значения сигнала на оси времени; а - постоянные коэффициенты, пропорциональные значениям синусов и косинусов кратных частот в отсчетных точках.
Рассматривая yt и xt как проекции векторов, можно сказать, что для произвольного задания отсчетных значений сигнала на оси частот необходимо, чтобы векторы yt были ортогональны, т.е., скалярное произведение любых двух различных векторов системы (3.29) должно равняться нулю
Однако, последняя строка системы (3.29) этому условию не удовлетворяет, так как ее коэффициенты имеют множители типа sin % к и, следова-тельно, все они равны нулю . Это значит, что условие независимого выбора всех отсчетных значений не является безоговорочным. То же самое можно сказать и о векторах хг Требуется установить ограничения, которые должны накладываться на свободу выбора отсчетных значений сигнала на оси частот и на оси времени, однозначно связанных между собой.
В свою очередь, первое слагаемое этого равенства равно s(n). Второе слагаемое обращается в нуль при любых п, кроме п = 0 и п — 2FT, где оно равно s(2FT) и (0) соответственно. Следовательно, равенство (3.33) обращается в тождество типа s(n) =s(n) при любых п = 0, 1,2 ... 2FT, если принять, что s(Q) — s(2FT) — 0. Только при этом условии второе слагаемое в (3.34) об ращается в нуль при всех п. .
Второе слагаемое, как было показано выше, обращается в нуль. Чтобы правая часть была вещественной, необходимо, чтобы третье слагаемое было равно нулю. Его можно записать следующим образом:
Учитывая, что В0 = 0, первое слагаемое этого равенства обращается в нуль. Следовательно, для обращения в нуль третьего слагаемого равенства (3.36) необходимо выбирать BFT= 0. Кроме этого, при выборе отсчетных значений необходимо соблюсти четность Ак и нечетность Вк.
Эта система показывает, что все значения Ак могут выбираться произвольно, кроме Ао и AFT, которые должны находиться из решения системы уравнений (3.38).
При этом возможны два варианта. Если 2FT — четное число, то решение неоднозначно и одним из коэффициентов можно задаться произвольно. В 88 случае, когда 2FT- нечетное число, возникают особенности в расположении отсчетных значений на оси частот. Действительно , в этом случае FT и FT-1 нецелые числа и в формулах (3.31), (3.32), (3.37) и (3.38) к принимает значения 0, 1, 2 ...FT-1, FT, где два последних значения — нецелые числа. Это приводит к нарушению условия ортогональности векторов и, как следствие, к нарушению однозначного соответствия между отсчетными значениями в полученных формулах.
На рис. 3.11 показано расположение отсчетных значений Ак и Вк на интервале 2ъ на оси частот в случае четного и нечетного значения 2FT. Когда к принимает значение FT, частота принимает значение л. В четном случае (рис. 3.11 а) все частоты находятся в кратном отношении к низшей частоте,.а в нечетном случае (рис. 3.115) последняя частота (при к = FT) находится не в кратном отношении к низшей частоте, что и нарушает ортогональность.
Характерным для цифровых радиоканалов на локомотиве является кратковременное пропадание полезного сигнала, как из-за рельефа местности, так и из-за множественных переотражений. В таких ситуациях даже помехоустойчивое кодирование не обеспечивает приемлемого значения вероятности ошибки ро- Покажем, что разрабатываемый метод (ЛМ) позволяет надежно предавать данные на локомотив в условиях кратковременного пропадания сигнала.
Этого можно достичь за счет многократного повторения передаваемого сообщения (не увеличивая общего времени его передачи) при модуляции и синхронного суммирования при демодуляции. Естественно, при этом расширяется спектр канальных сигналов. Такая возможность реализуется в схеме модулятора линейного модема, приведенной на рис. 4.1 для случая передачи сообщений длинными отрезками (пакетами).
В этой схеме модулирующее колебание s(t) поочередно записывается в регистры отрезками в 2FSTS степеней свободы, а синхрогенератор СГ поочередно через интервалы Ts подключает выходы регистров на схемы умножения для выполнения свертки с несущим колебанием, имеющим 2FT степеней свободы на периоде.
Результаты моделирования весового накопления для различных распределений уровня помех
Матрица [у] - квадратная п-то порядка; все строки ее получаются из первой путем циклических перестановок.
После окончания первого фрагмента коммутатор 7 подключает на вход модулятора второй фрагмент, хранящийся в регистре 6 и т.д. Отсчетные значения модулированного колебания поступают на блок 10 формирования от-счетных функций, которые в сумме формируют сигнал, занимающий полосу F со средней частотой/с , пригодный для передачи по каналу.
Целесообразно проводить формирование выходного сигнала на высокостабильной промежуточной частоте/Cj а перенос спектра уже сформированного сигнала в диапазон, отведенный для связи, проводить обычным образом.
Если ширина спектра полезного сигнала меньше ширины спектра частот, отведенного для связи, то можно уменьшить период Т несущего колебания в г раз и увеличить полосу частот F в г раз (2FT = const). В результате получим модулированное колебание фрагмента сообщения, занимающее полосу частот в г раз шире за время в г раз меньшее его длительности. Образуется резерв времени, который можно использовать для r-кратного повторения фрагмента сообщения, а на приемной стороне повторяемые отрезки синхронно сложить.
Как показано в Главе 4, если число степеней свободы фрагмента сообщения больше числа степеней свободы помехи в канале, на которые простираются заметные статистические связи, то можно считать помехи на различных реализациях повторяемых отрезков независимыми, и в результате накопления отношение с/п возрастает в г раз.
На приемной стороне сигнал поступает на вход демодулятора 12 и на вход блока 11 выделения синхросигнала. Для выделения модулирующего колебания s (t) принятый сигнал должен быть подвергнут линейному преобразованию
В силу линейности модема выбор матрицы [у] в формуле (5.2) не зависит от матрицы [s] . Так, первая строка матрицы \у\ может быть произвольным набором чисел. Соответственно, и колебание y(f) может иметь производную форму. Это позволяет при передаче любых сообщений независимо выбирать несущее колебание так, чтобы оптимизировать систему по какому-либо критерию, а при отображении сообщений на сигналы выбирать сигналы так, чтобы оптимизировать систему по тому же или иному критерию, в частности, по критерию оптимального сочетания помехоустойчивости и скрытности.
При заданной мощности, меняя структуру передаваемого сигнала, можно увеличивать или уменьшать выигрыш, не изменяя отношения с/п на выходе демодулятора. Выигрыш тем больше, чем более неравномерен энергетический спектр помех в канале. Выигрыш не зависит от отношения с/п в канале, что позволяет работать на уровне шумов, в частности, в уже занятых диапазонах частотного спектра.
Сравнительный анализ помехоустойчивости ЛМ и частотной модуляции (ЧМ) показывает, что выигрыш отношения с/п при ЛМ, работающем в режиме синхронного накопления, равен коэффициенту расширения полосы частот при модуляции независимо от отношения с/п в канале. Поэтому ЛМ при слабых сигналах значительно превосходит по помехоустойчивости частотную модуляцию.
Наиболее перспективной по помехоустойчивости схемой является схема, объединяющая в себе ЧМ и ЛМ. Выигрыш отношения с/п для этой схемы равен произведению выигрышей ЛМ и ЧМ. Схема объединяет достоинства ЧМ и ЛМ, преодолевая главный недостаток ЧМ - порог помехоустойчивости.
Сравнение по экономичности схемы, объединяющей в себе ЛМ и ЧМ, и схемы с ЧМ показывает, что выигрыш мощности при отношении с/п » 1 в пользу схемы с ЧМ, а при с/п 1 в пользу схемы «ЧМ+ЛМ».
Аналогичное сравнение схемы «ЧМ+ЛМ» и схемы с ЛМ, работающей в режиме синхронного накопления, показывает, что выигрыш мощности при коэффициенте расширения полосы частотного модема меньше 4,2 — в пользу ЛМ, а при коэффициенте расширения больше 4,2 - в пользу «ЧМ+ЛМ», независимо от уровня сигнала в канале.
Благодаря применению ЛМ система обладает высокой скоростью передачи информации, равной пропускной способности канала. Выигрыш отношения с/п равен коэффициенту расширения полосы частот при модуляции. Отсутствует пороговый эффект, поэтому при малых сигналах система превосходит системы с частотной модуляцией и может работать на уровне шумов, что повышает энергетическую скрытность. Кроме того, система позволяет формировать сигнал в канале связи, маскирующийся под помехи, что делает факт сеанса связи незаметным. Структурная скрытность обеспечивается применением в модуляторе процедуры свертки, а качестве несущего сигнала - сложного шумоподобного колебания.
Формирование канальных сигналов на выходе линейно-параметрического модулятора Модулированное колебание на выходе линейно-параметрического модулятора в каждый момент есть результат линейного взаимодействия всех степеней свободы (отсчетных значений) несущего колебания со всеми степенями свободы отрезка (пакета) сообщения. Процесс модуляции в линейно-параметрическом модуляторе сопряжен с математическими операциями над большими массивами чисел и хранением их в памяти, что трудно выполнить в аналоговой форме. Переход к цифровой обработке снимает эти трудности, однако требует дискретизации оси времени.
Выполняя дискретизацию через интервалы Котельникова [32] и оперируя отсчетными значениями сигналов, мы можем получить модулированное колебание только в отсчетных точках, по которым можно сформировать непрерывный сигнал, пригодный для передачи по каналу. Однако, если сигнал располагается в области высоких частот и занимает ограниченную полосу, то для его точного воспроизведения нужно знать не только отсчетные значения сигнала, но и его преобразования Гильберта [26]. Это означает, что вместе с отсчетами модулированного сигнала по каналу требуется передавать информацию и о его преобразовании Гильберта что снижает скорость передачи информации вдвое. Если сформировать сигнал на выходе модулятора таким образом, чтобы его преобразование Гильберта в отсчетных точках равнялось нулю, то эту информацию не нужно будет передавать по каналу. Как показал Котельников, узкополосный сигнал может быть точно представлен последовательностью своих отсчетных значений следующим образом [45]
