Алгоритмы турбовыравнивания в декаметровых радиомодемах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритмы турбовыравнивания в декаметровых радиомодемах

Алексеенков Андрей Евгеньевич, кандидат технических наук,

Богачев Андрей Геннадьевич, адъюнкт Академии ФСО России.

Коротковолновая (декаметровая) радиосвязь остается одним из важных способов предоставления услуг связи на обширных пространствах России. Средства связи этого диапазона также не остались в стороне от общего прогресса технологий. Передовые отечественные и зарубежные образцы оборудования показали возможности высокоскоростной передачи речи и данных (до 12800 бит/с в полосе 0,3-3,4 кГц), что ранее считалось труднодостижимым. Действительно, коротковолновые каналы характеризуются многолучевым распространением радиоволн, высокой интенсивность помех от других радиоэлектронных средств, что не позволяет традиционными способами передавать данные с высокой скоростью и приемлемой достоверностью. Поэтому в последние годы, в связи с ростом производительности аппаратных средств, широкое распространение получили системы высокоскоростной передачи сигналов с адаптивной коррекцией сигналов на приемной стороне. Такие системы в отличие от многоканальных параллельных систем характеризуются лучшими энергетическими показателями, отсутствием межканальных помех, меньшей чувствительностью к сдвигу несущей частоты.

В современных радиоприемных устройствах широко применяется технология адаптивного выравнивания, при этом процедуры декодирования и выравнивания функционально разделены. В последних исследованиях наметилась тенденция к объединению этих процедур на основе итеративных алгоритмов (турбо алгоритмов), в результате была предложена идея турбо-выравнивания (turbo-equalization) [1-3]. По сравнению с традиционными неитеративными схемами декодирования и выравнивания (рисунок 1) схемы турбо-выравнивания (рисунок 2) имеют ряд более высокую помехоустойчивость при работе на коротковолновых каналах связи [1-4]. При этом преимущество итеративных схем в каналах с низким соотношением сигнал/шум может достигать 10 дБ [5]. Для коротковолнового канала такой выигрыш составляет около 2 дБ [6].

Рисунок 1. Система связи с однократным (неитеративным) декодированием и выравниванием

Практическим подтверждением преимуществ турбо-выравнивания является отечественный КВ-модем компании ООО "СПИРИТ-Телеком". Ключевым элементом приемной части этого модема является турбо-корректор, реализующий итерационный принцип использования результатов работы декодера Витерби для уточнения оценки импульсной реакции канала связи.

Рисунок 2. Схема приемной части системы связи с турбо-выравниванием

Последовательный коротковолновый модем с адаптивной турбо-коррекцией (итеративной коррекцией и декодированием) российской фирмы "СПИРИТ" совместим со стандартом НАТО STANAG 4539 на скоростях от 75 до 12800 бит/с. КВ-модем обеспечивает передачу данных со скоростями от 75 до 9600 бит/с с учетом требований ГОСТ Р 51820-2001. Модем использует сигнальные конструкции до 64 КАМ. В состав модема также входит стек протоколов по стандарту STANAG 5066, обеспечивающий гарантированную доставку файлов и сообщений электронной почты в радиосетях с коммутацией пакетов. Модем предназначен для передачи данных по каналу, образованному радио-средствами декаметровогодиапазона (3…30 МГц). При этом работа в эфире ведется с использованием однополосной модуляции (класс излучения J3E). Модем подключается к приемо-передающему оборудованию по аудиоинтерфейсу (стык С1-ТЧР), а к ООД по интерфейсу RS-232 в синхронном и асинхронном режимах. Управление КВ-модемом осуществляется при помощи ПК по последовательному интерфейсу или по Ethernet. Модем рассчитан на эксплуатацию на подвижных и стационарных объектах. Технические характеристики модема приведены в таблице.

Таблица. Технические характеристики КВ модема "СПИРИТ".

О преимуществах последовательных модемов с адаптивной коррекцией говорят публикации других отечественных производителей [7].

Приведем примеры модемов зарубежных производителей, в которых применяется адаптивная коррекция. GA-123A ("DRS C3 Systems") - последовательный коротковолновый модем, в котором реализован эквалайзер с обратной связью по решению, длинное и короткое перемежение (интерливинг).

К широко распространенным в ОВС НАТО современным коротковолновым модемам относится RF-5710A-MD001/MD002 ("HarrisCorporation"). В качестве одного из главных преимуществ производитель указывает на высокую скорость передачи информации (до 19200 бит/с) и наличие адаптивного эквалайзера, позволяющего эффективно бороться с замираниями в канале связи. В последовательном режиме модем использует фазовую манипуляцию.

Другим лидером на мировом рынке коротковолновых приемопередатчиков является фирма Rockwell Collins. Высокоскоростной модем MDM Q9604 имеет возможность формировать сигнал в полосе одного, двух или четырех стандартных каналов (по 3 кГц), при этом скорость передачи информации 9600, 19200 и 64000 бит/с. В модеме реализованы алгоритмы турбо-выравнивания (патенты США 6763064 и 6760374), модуляция КАМ и ФМ.

В заключении назовет некоторые другие образцы коротковолновых модемов, производители которых указывают на применение алгоритмов адаптивного выравнивания: ETM 1820 (TELEFUNKEN Radio Communication Systems) - реализован турбокорректор, TC6, TC4, RM6 RM4 (RapidMobile Pty), FRN8526 (Mobat).

Таким образом, в современных коротковолновых модемах ведущих отечественных и зарубежных производителей реализованы алгоритмы адаптивного выравнивания. Основным направлением совершенствования этих алгоритмов является переход к итеративным процедурам - турбовыравниванию.

Вместе с тем, при выполнении процедур итеративного (турбо) выравнивания возникают следующие проблемы. Во-первых, итеративный процесс декодирования-выравнивания имеет высокую вычислительную сложность, сопоставимую со сложностью алгоритма Витерби и экспоненциально растущую с увеличением количества интерферирующих символов. В качестве меры по уменьшению вычислительной сложности алгоритма турбокоррекции предлагается адаптивно изменять число итераций декодирования-выравнивания, останавливая эту процедуру в тот момент, когда дальнейшие вычисления не приводят к уменьшению вероятности ошибки. Второй проблемой является неразработанностьалгоритмов турбокоррекции для систем, использующих многоуровневую (квадратурно-амплитудную) модуляцию. Это ставит задачу разработки алгоритмов итеративного выравнивания для систем, использующих квадратурно-амплитудную модуляцию. Следующей проблемой при использовании уже существующих алгоритмов турбокоррекции является то, что зарубежные исследователи анализируют их качество при работе по среднеширотным КВ каналам, характеристики которых определены рекомендацией ITU-R F.520 [8]. В то же время существует новая рекомендация ITU-R F.1487 [9], которая определяет характеристики высокоширотных трасс со значительно более тяжелыми условиями распространения радиоволн.

Литература

радиосвязь коррекция адаптивный алгоритм

1. R. Koetter, A. C. Singer, M. Tuchler. Turbo equalization. IEEE Signal Processing Magazine, January 2004, pp. 67-80.

2. R. Otnes, M. Tьchler. Improved receivers for digital high frequency waveforms using turbo equalization // MILCOM 2002 - IEEE Military Communications Conference, no. 1, October 2002 pp. 99-104.

3. R. Otnes, M. Tьchler. Iterative channel estimation for turbo equalization of time-varying frequency-selective channels // IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 3, no. 6, Nov 2004, pp. 1918-1923.

4. Свириденко В. А. Передача данных и речи по радиоканалам с изменяющимися характеристиками: идеи, реализации, приложения / В. А. Свириденко, П. В. Смирнов / INTERMATIC - 2006 // Материалы международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" 24-28 октября 2006 г., г. Москва. - М.:МИРЭА, 2006, часть 2, с. 11-16.

5. Seok-Jun Lee, Naresh R. Shanbhag, and Andrew C. Singer. Low-power turbo equalizer architecture // IEE Workshop on Signal Processing Systems, San Diego, CA, October 2002, pp. 33-38.

6. Otnes, R. and Tьchler, M. Low-complexity turbo equalization for timevarying channels // Proc. 55th IEEE VTS Vehicular Technology Conf., VTC 2002 Spring, Vol. 1, IEEE, Birmingham, AL, USA, pp. 140-144.

7. Егоров, В. В. Коррекция межсимвольных искажений методами адаптивной фильтрации и обратного моделирования / В. В. Егоров, А. Ю. Коржов, А. Н. Мингалёв // Электросвязь. - 2005. - № 5. - C. 35-37.

8. Use of High Frequency Ionospheric Channel Simulators, International Telecommunications Union, Radiocommunications Sector (ITU-R) Rec. F.520-2, 1978.

9. Testing of HF Modems with Bandwidths of up to 12kHz Using Ionospheric Channel Simulators, International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector (ITU-R) Recommendation F.1487, 2000.

Размещено на Allbest.ru