Аналіз можливостей побудови каналів управління безпілотними літальними апаратами з використанням сигнально-кодової конструкції

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ СПЕЦІАЛЬНОГО ЗВ'ЯЗКУ ТА ЗАХИСТУ ІНФОРМАЦІЇ НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА

Аналіз можливостей побудови каналів управління БПЛА з використанням сигнально-кодової конструкції

КУРСАНТ: рядовий Держспецзв'язку Матієнко Руслан Володимирович

КЕРІВНИК: професор СК №3, к.т.н., доцент Голь Владислав Дмитрович

РЕЦЕНЗЕНТ: доцент СК №5, к.т.н., доцент Успенський Олександр Анатолійович

Київ 2015

Зміст

Вступ

1. Можливості застосування БПЛА та побудови їх каналів управління

1.1 Конструктивні варіанти БПЛА

1.2 Аналіз принципів реалізації каналів управління і телеметрії БПЛА

1.3 Варіанти захисту каналів управління

2. Детальний огляд та аналіз СКК

2.1 Аналіз можливостей і вибір принципу реалізації інформаційного каналу

2.2 Основні параметри та класифікація СКК

2.3 Дослідження варіантів СКК

3. Робота з визначенням рівня завадозахищеності БПЛА

3.1 Статистична оцінка завадозахищеності систем зв'язку бпла з технологією MIMO

3.2 Помилки викликані завадами, основні аналітичні залежності

Висновок

Список використаної літератури

Додаток А

інформаційний безпілотний канал управління

Вступ

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є найбільш доцільне застосування сигнально-кодових конструкцій. і визначення можливих напрямів їх використання в ході розвитку каналів управління в БПЛА.

Досягнення визначеної мети передбачає вирішення таких завдань дослідження:

проаналізувати стан наукового розроблення теми, охарактеризувати дже-рельну базу дослідження, визначити методи та основні напрями дослідження; систематизувати досвід застосування БПЛА; з'ясувати основні фактори та розкрити їх вплив на застосування БПЛА;

виявити та дослідити завдання БПЛА, характерні риси та особливості їх застосування; виявити та описати основні тактичні прийоми, форми та способи застосування СКК; визначити тенденції застосування та розвитку БПЛА, розробити практичні рекомендації та сформулювати вимоги до БПЛА для ЗС України.

Об'єктом дослідження є сигнально-кодові конструкції в каналах управління.

Предметом дослідження є застосування СКК для захисту БПЛА від РЕБ противника.

У теперішній час в багатьох країнах світу знаходить широке застосування безпілотна авіація Безпілотні літальні апарати (БПЛА) застосовуються як у народному господарстві, так і у військовій справі. Так, вони успішно знаходять застосування у якості діючих засобів моніторингу навколишнього середовища, при рішенні завдань картографії, геологічної, метеорологічної, радіаційної, хімічної, бактеріологічної й біологічної розвідки без ризику для людських життів, а також вони ефективно використовуються при проведенні рятувальних робіт.

Комплекс безпілотної повітряної розвідки і спостереження здатен ефективно виконувати такі функції:

· проведення видової, оптоелектронної, у тому числі інфрачервоної(ІЧ) розвідки вдень та вночі;

· проведення цифрового картографічного фотографування місцевості;

· оперативної інформаційної підтримки й організації зв'язку з спеціалізованими підрозділами, що виконують завдання на місцевості;

· проведення фото-відео реєстрації подій та об'єктів на місцевості;

· уточнення характеру місцевості;

· виявлення наявності й характеру інженерного обладнання місцевості, райони руйнувань;

· виявлення шляхів та напрямків переміщення угруповань;

· визначення стану організації охорони об'єктів різного призначення та інші

Система прийому і передачі даних малогабаритного безпілотного авіаційного комплексу (БПЛА) призначена для виконання двох основних груп функцій:

- забезпечення функціонування радіоканалу управління і телеметрії для дистанційного автоматизованого керування безпілотним авіаційним літальним апаратом (БПЛА) (канал управління);

- передача (прийом) і обробка розвідувальних даних системи оптико-електронної розвідки БПЛА (інформаційний канал).

1. Можливості застосування БПЛА та побудови їх каналів управління

1.1 Конструктивні варіанти БПЛА

БПЛА Ї комплекс розміщених на його борту апаратно-програмних засобів, забезпечує всі режими польоту і виконання функціонального завдання. Склад і архітектура авіоніки БПЛА суттєво залежать від типу, розмірів, аеродинамічної схеми і інших функціональних і технічних характеристик БПЛА, а також від покладених на нього завдань. У цей час найбільше поширення одержали тактичні комплекси міні-БПЛА [1]. Їх кількість наближується до 40% від загальної кількості БПЛА всіх категорій (рис.1.1), а обладнання міні_БПЛА за своїм функціональним змістом наближається до складу бортового обладнання, що відповідає вимогам до бортових комплексів авіоніки сучасних літальних апаратів.

Рис. 1.1 Розподіл БПЛА за категоріями

БР - БПЛА близького радіусу (10_30 км); КР - БПЛА короткого радіусу (30-70 км); СР - БПЛА середнього радіусу (70-200 км); Мікро і Міні - БПЛА вагою 5 -30 кг радіусом дії до 10 км.

Авіоніка міні-БПЛА складається з бортової апаратури керування (БАУ), що розташовується на планері, і наземної апаратури управління (НАУ), що складається з апаратури управління і зв'язку і обчислювальної машини.

Основним чинником, що обмежує функціональні можливості обох каналів, є достатньо жорсткі габаритно-вагові обмеження, оскільки передбачуваний БПЛА відноситься до класу “міні”. Обмеження на загальну вагу БПЛА становить 1 ч 4 кг, при максимально досяжному коефіцієнті корисної дії спеціального обладнання означають, що загальна вага бортової підсистеми оптичної розвідки і передачі даних не повинна перевищувати 0,15 ч 1кг.

За функціональним призначенням інформаційний канал і канал управління передбачають застосування різних вимог до їх реалізації. До каналу управління, який призначений для передачі і прийому коротких повідомлень, які передаються з значними часовими інтервалами, пред'являються вимоги щодо досягнення високої скритності і завадозахи- щеності радіоканалу. До інформаційного каналу переважно пред'являються вимоги максимізації кількості передавання інформації при допустимому рівні якості, що накладає достатньо жорсткі вимоги до показників енергетичної і частотної ефективності протоколів передачі даних.

Сам по собі БПЛА -- лише частина складного багатофункціонального комплексу. Як правило, основний обов'язок, який покладено на комплекси БПЛА, - проведення розвідки важкодоступних районів, в яких отримання інформації звичайними засобами, включаючи авіарозвідку, ускладнене або ж наражає на небезпеку здоров'я і навіть життя людей. Крім військового використання застосування комплексів БПЛА відкриває можливість оперативного і недорогого способу обстеження важкодоступних ділянок місцевості, періодичного спостереження заданих районів, цифрового фотографування для використання в геодезичних роботах та у випадках надзвичайних ситуацій.

Отримана бортовими засобами моніторингу інформація повинна в режимі реального часу передаватимуться на пункт управління для обробки і прийняття адекватних рішень. В даний час найбільшого поширення набули тактичні комплекси мікро і міні-БПЛА

Можливі різноманітні варіанти сучасних БПЛА які відрізняються за різними характеристиками та можливостями. Одним з варіантів є DJI Phantom 2 Vision.

Клас „Ближнiй розвiдник” -- основна функція: постійна розвідка переднього краю в умовах пересіченої місцевості чи міської забудови, виявлення засідок перед рухом вперед. Ситуації, коли просто потрібно піднятись на 30-50 метрів вверх і подивитись вперед.

Рис. 1.2 Квадрокоптер „Ближнiй розвiдник”

Основні характеристики цього класу:

· Квадрокоптер на електричних двигунах

· Дальність управління з пульта і передачі відео: 1-2 км в прямій ммммммммвидимості

· Польотна стеля -- до 100 м.

· Передача відео на пульт

Такі розвідники не використовуються широко арміями світу. Вони легко вразливі стрілецькою зброєю. І мають лише такі плюси: квадрокоптери легко купуються, збираються і експлуатуються. Зокрема готовий DJI Phantom 2 Vision+ (на картинці) з польотним часом в 25 хвилин та передачею відео на смартфон по Wi-Fi на відстань до 700 м. можна купити на сайті виробника за $1300 Ще зовсім недавно його продавали на Розетці за 16 000 грн. При бажанні можна доукомплектувати більш місткою батареєю, що збільшить час перебування в повітрі. Взагалі зараз можна легко знайти безліч пропозиції готових квадрокоптерів (500$-1000$) та FPV-камер за $120, що можуть передавати зображення по Wi-Fi на відстань до 1 км.

За бажанням такі машини можуть комплектуватись тепловою або камерою нічного бачення для контролю периметру баз та розташувань військ вночі.

RQ-11 Raven

Є класом „Оперативний батальйонний розвідник” Переважна більшість безпілотників цього класу - це електричні планери, котрі можуть здійснювати контрольований політ на дальність до 10 км., впродовж 45-90 хв. і передавати відео-зображення та GPS-сигнал про своє місце знаходження на пульт оператора.

Рис. 1.3 Планер „Оперативний батальйонний розвідник”

Основні важливі характеристики цього типу:

· Планер зі стійким корпусом

· Електричні двигуни

· Запуск з руки

· Час польоту - від 45 до 90 хвилин

· Дальність дії - до 10 км (дальність управління та передачі відео)

Це найбільш масовий тип в Армії США. Основна модель, котра використовується -- Raven („Ворон”), було побудовано близько 19 000 штук цього типу. Виглядає так, що його вибрано за можливі подальші модернізації.В станцію спостереження входить три такі БПЛА + машина з операторами. В комплекті кожного планера є запасна змінна батарея, що дозволяє перезапустити її знову одразу по приземленні.

Інший варіант безпілотника це американський RQ-4 Global Hawk.

Розробки “AeroVironment”

Рис. 1.4 Багатоцільовий розвідувальний БПЛА RQ-4 Global Hawk

RQ-4 виконаний за нормальною аеродинамічною схемою. Крило повністю виготовлено з композиційного матеріалу на основі вуглеволокна.

V-образне хвостове оперення, також зроблено з композиційних матеріалів. Фюзеляж виготовлений з алюмінієвих сплавів та являє собою напів-монокок. Крила виготовлені з легкого, високоміцного композиту. Його розмах крил дорівнює приблизно 35 метрам, довжина -- 13, 3 метрам, а злітна вага наближається до 15 тонн. Апарат оснащений ТВДД Allison Rolls-Royce AE3007H з тягою 31.4 кН та здатний нести корисне навантаження масою до 900 кг.

Global Hawk оснащений інтегрованою системою спостереження та розвідки HISAR (Hughes Integrated Surveillance & Reconnaissance). Цей комплекс також використовується на борту армійського БПЛА RC-7B та продається на міжнародному ринку. Комплекс включає радар SAR/MTI, а також оптичний та інфрачервоний сенсори. Всі три підсистеми можуть працювати одночасно, а їхні дані обробляються єдиним процесором. Цифрові дані можуть передаватися на землю в режимі реального часу в межах прямої видимості або через супутниковий канал зі швидкістю до 50 Мбіт/с.

Радар з синтезованою апертурою призначений для роботи в будь-яких погодних умовах. У нормальному режимі роботи він забезпечує отримання радіолокаційного зображення місцевості з розширенням 1 метр. За добу може бути отримано зображення з площі 138,000 кмІ на відстані 200 км. У точковому режимі („spotlight” mode), зйомка області розміром 2 х 2 км, за 24 години може бути отримано більше 1900 зображень з роздільною здатністю 0,3 м. Global Hawk має широкосмуговий супутниковий канал зв'язку та канал зв'язку в межах зони прямої видимості. Підсистема SAR/MTI працює в Х діапазоні та забезпечує:

· Сканування та виявлення рухомих цілей в радіусі 100 км

· Комбінований SAR/MTI режим надає можливість спостереження з розширенням 6 метрів за смугою шириною 37 км та довжиною від 20 до 110 км.

· В режимі деталювання радар забезпечує дозвіл 1,8 метра на території 10 кмІ.

Радар має можливість виявлення наземних рухомих об'єктів (moving target indicator -- MTI) та передачі відомостей про подібні об'єктах (координати та швидкість) в текстових повідомленнях.

Денна електронно-оптична цифрова камера виготовлена компанією Hughes та забезпечує отримання зображень з високою роздільною здатністю. Датчик (1024 x 1024 пікселів) спряжений з телеоб'єктивом з фокусною відстанню 1750 мм. В залежності від програми є два режими роботи.

Перший -- сканування смуги шириною 10 км.

Другий -- детальне зображення області 2 х 2 км.

Зображення одержувані з радара та сенсорів обробляються на борту БПЛА та передаються на наземну станцію у вигляді окремих кадрів. Наземна станція збирає з кадрів зображення та готує їх для подальшого використання.

Для навігації використовується інерційна система з поправками від GPS. Global Hawk призначений для автономного польоту та передачі розвідувальних даних через супутникові канали (діапазони Ku та УКВ) на наземну станцію. У разі використання БПЛА в зоні прямої видимості є можливість прямої передачі даних на відповідну наземну станцію.

Рис. 1.5 Підготовка апарату до роботи

Наземний сегмент, що складається з обладнання запуску та обслуговування (Launch and Recovery Element) та системи наземного управління (Mission Control Element), так само проводиться компанією Raytheon. MCE використовується для постановки задач, управління та контролю, обробки та передачі зображень. LRE призначений для запуску та пошуку БПЛА. У складі LRE є обладнання для обчислення диференціальних поправок системи GPS для визначення точного навігаційного положення БПЛА під час зльоту та посадки. В інший час основним навігаційним засобом є інерційна система (з поправками від GPS). Під час місій MCE та LRE можуть знаходиться в різних місцях (MCE зазвичай знаходиться в розташуванні командування). Обидві системи входять в наземний сегмент розміщуються в укріплених сховищах, з зовнішніми антенами для прямого та супутникового зв'язку.

Вартість одиниці оцінюється до 140 мільйонів доларів (без урахування витрат на НДДКР), година польоту коштує 31 000 доларів.

1.2 Аналіз принципів реалізації каналів управління і телеметрії БПЛА

Основними вимогами до радіолінії управління і телеметрії є забезпечення високої скритності і завадозахищеності передачі даних. Це є наслідком функціонального призначення підсистеми системи прийому і передачі даних (СПД), оскільки дана система безпосередньо визначає живучість комплексу оптичної розвідки та його здатність функціонувати в умовах інтенсивної радіоелектронної протидії і спроб перехоплення (подавлення) управління.

При роботі з БПЛА частіше всього використовують супутниковий чи радіоканал зв'язку.

Існують також прилади GPS стеження, які використовуються для диспетчеризації та моніторингу рухомих об'єктів. Для GPS навігатора користувач знаходиться поряд з приладом, результати роботи навігатора передавати нікуди не треба, у той час як для пристрою стеження кінцевий одержувач результату роботи може перебувати за сотні кілометрів від рухомого об'єкту.

Спочатку, в двох словах, про те, які дані маються на увазі.

GPS прилад отримує сигнали від навігаційних супутників і, обробляючи їх, здатний визначити координати свого місцезнаходження, висоту над рівнем моря, швидкість і напрямок вектора руху. Сигнали супутників також містять дані про точний час (атомний годинник супутників + корекція) і датою, за якими прилад GPS може синхронізувати свої внутрішні годинники. Багато пристроїв GPS стеження мають ще входи для аналізу логічних і аналогових датчиків, керуючі виходи для впливу на систему, а також контролери цифрових шин. Багато приладів дозволяють дистанційно змінювати свої налаштування і режими. Яким чином здійснюється обмін даними між приладом на рухомому об'єкті та обладнанням оператора, який здійснює спостереження за даним об'єктом?

Якщо не розглядати вузькоспеціалізовані способи передачі, такі, як супутниковий зв'язок і прямий радіоканал, то можна говорити, що передається інформація, на даний момент, виключно по каналах операторів GSM зв'язку.

Передача інформації по прямому радіоканалу

Іншими словами, GPS прилад має свій радіопередавач, радіоприймач знаходиться в оператора моніторингу. Визначивши свої координати, GPS прилад передає їх на певній частоті, на якій ці дані і приймаються приймачем оператора.

Позитивні моменти даного способу передачі інформації - це повна автономність і відсутність плати за оренду сторонніх каналів. На цьому позитивні моменти закінчуються. Так як прилад є радіо-випромінювальним, то відповідно, є проблема великого енергоспоживання на рухомому об'єкті. Крім того, великим недоліком є обмежений радіус дії такої системи. В більшості своїй, він не перевищує 15-20 км.

З розвитком GSM зв'язку широкого поширення набули прилади, які використовують для передачі даних канали GSM операторів. Переваги очевидні: при невеликій потужності передавального пристрою, ми маємо практично необмежений радіус дії приладу. Обмін даними може здійснюватися скрізь, де є покриття GSM. Навіть якщо рухомий об'єкт на деякий час виявляється поза зоною покриття GSM, то прилад стеження може зберігати всі поточні дані у внутрішню пам'ять і, при відновленні зв'язку, без втрат передати їх оператору.

В радіоканалі передача інформації здійснюється за допомогою радіохвиль. Включає середу поширення радіохвиль і пристрої перетворення електричних сигналів в електромагнітне випромінювання (радіопередавальний пристрій) та електромагнітне випромінювання в електричні сигнали (радіоприймальний пристрій). Технічні характеристики радіоканалу залежать від його функціонального призначення і виду переданих сигналів: обслуговувана зона, дальність передачі визначають застосовувані частоти, вид антен, потужність передавача і чутливість приймача; вид сигналів (телефонія або телеграфія, звукове або телевізійне мовлення і т. д.) визначає пропускну здатність каналу (смуга переданих частот, динамічний діапазон і лінійність амплітудної характеристики каналу).

Особливість радіоканалу полягає в тому, що сигнал вільно випромінюється в ефір, він не замкнутий у кабель, тому виникають проблеми сумісності з іншими джерелами радіохвиль (радіо і телевіщальними станціями, радарами, радіоаматорськими й професійними передавачами й т.д.). У радіоканалі використовується передача у вузькому діапазоні частот і модуляція інформаційним сигналом сигналу несучої частоти. Головним недоліком радіоканалу є його поганий захист від прослуховування, тому що радіохвилі поширюються неконтрольовано. Інший великий недолік радіоканалу - слабка перешкодозахищеність.

Супутниковий канал зв'язку -- один з видів космічного радіозв'язку, що базується на використанні штучних супутників Землі, на яких змонтовані ретранслятори. Супутниковий зв'язок здійснюється між земними станціями, які можуть бути як стаціонарними, так і мобільними.

Оскільки супутниковий зв'язок є радіозв'язком, для передачі через супутник сигнал повинен бути промодульованим. Модуляція відбувається на земній станції. Модульований сигнал переноситься на потрібну частоту, підсилюється та надходить на передавальну антену.

Звичайний (нерегенеративний) супутник, прийнявши сигнал від однієї наземної станції, переносить його на іншу частоту, підсилює й передає іншій наземній станції. У супутнику може бути кілька незалежних каналів, що здійснюють ці операції, кожний з яких працює в певному діапазоні частот (ці канали обробки називаються транспондерами).

Регенеративний супутник демодулює прийнятий сигнал та знову модулює його. Завдяки цьому помилки виправляються два рази: на супутнику та на прийомній земній станції. Недоліком цього методу є складність, висока вартість супутника та наземного обладнання.

На даний момент супутниковий зв'язок залишається дуже дорогим і енергоємним варіантом зв'язку, але, завдяки своїй головній перевазі - практично, 100-процентному покриттю Земної кулі, залишається незамінною для певних функцій.

1.3 Варіанти захисту каналів управління

Відомо, що найбільш ефективним способом досягнення високої живучості радіоканалів управління є застосування систем широкосмугового зв'язку, які використовують шумоподібні (псевдошумові) сигнали. Основною перевагою систем з широкосмуговими сигналами є їх завадостійкість і скритність роботи, тобто завадозахищеність, а також, при необхідності, велика пропускна спроможність. Перехід до широкосмугових сигналів при створенні систем зв'язку різного призначення йде шляхом освоєння цифрових методів передачі інформації. Тому переважна більшість використовуваних в системах зв'язку (СЗ) широкосмугових сигналів, тобто сигналів, смуга частот яких істотно перевищує смугу передаваних повідомлень, мають аналогову (гармонійну) і дискретну (цифрову) розширяючу несучу послідовність.

Існуючі методи отримання і використання широкосмугових сигналів в завадозахищених системах з певними допущеннями можна розбити на два класи: по-перше, це застосування кодових розширяючих послідовностей, що приводять до заміни елементарних символів послідовностями великої довжини і певної структури, а, по-друге - використання періодичних стрибків несучої частоти згідно із законом, близьким до випадкового - режим псевдовипадкової перестройки робочої частоти (ППРЧ). В обох випадках використання ключових послідовностей управляючих символів мають “майже” випадкову, невідому противнику структуру, що дозволяє одночасно з підвищенням завадостійкості СПД добитися певної криптографічної (структурної) стійкості радіоліній.

На користь вибору широкосмугового принципу організації зв'язку в управляючому каналі свідчить аналіз досвіду аналогічних розробок безпілотних авіаційних розвідувальних комплексів в країнах НАТО. Широкосмугові сигнали відрізняються тим, що їх смуга частот F набагато більша, ніж інформаційна. Це означає, що показник розширення спектру (база сигналу) для широкосмугових сигналів набагато більше одиниці. Велика надмірність, властива широкосмуговим сигналам, потрібна для подолання високих рівнів взаємної інтерференції, що виникає при передачі цифрової інформації по радіоканалам. Оскільки кодований сигнал також характеризується показником розширення спектру більшим одиниці, а кодування є ефективним методом введення надмірності, тому можна зробити висновок про те, що кодування - важливий елемент при синтезі широкосмугових сигналів. Другий важливий елемент, який використовується при синтезі широкосмугових сигналів, це Ї псевдовипадковість, яка робить сигнали схожими на випадковий шум і складними для демодуляції приймачами противника. Цей чинник зумовлює переваги використання таких сигналів в підсистемі управління БПЛА. При цьому досягається:

зменшення шкідливого впливу завадових сигналів, що виникають в результаті застосування противником засобів протидії і багатопроменевого розповсюдження електромагнітних хвиль;

забезпечення скритності корисного сигналу шляхом його передачі з малою потужністю, що ускладнює його детектування засобами радіоелектронної розвідки у присутності природного шуму;

підвищення захисту повідомлення від перехоплення і розшифровки противником.

Для боротьби з навмисними завадами важливо, щоб у постановника завад, які можуть негативно впливати на якість зв'язку, не було апріорної інформації про характеристики корисного сигналу та значення загальної смуги частот і типу модуляції (ФМ, ЧМ і так далі), що використовуються. В разі, якщо цифрова інформація не закодована, постановник завад може з легкістю імітувати корисний сигнал, що випромінюється передавачем і таким чином, спотворити розвідувальну інформацію. Для виключення цього факту необхідно, щоб передавач вводив елемент випадковості (псевдовипадковості) в кожному з передаваних цифрових сигналів, який відомий одержувачеві, але невідомий постановнику завад. Для характеристики достовірності зв'язку в управляючому каналі можна використовувати два показники: коефіцієнт похибок (вірогідність похибки при передачі одиниці інформації) та відношення сигнал-шум n h (відношення енергії символу (біта) до спектральної щільності шуму) на виході кореляційного (узгодженого) приймача:

(1)

Де P_с1 - потужність сигналу на виході приймача;

P_ш0 - потужність внутрішніх шумів на виході приймача;

P_ш1 - потужність зовнішніх широкосмугових завад;

Р_з1 - потужність вузькосмугових завад.

З аналізу виразу (1) можна зробити висновок про те, що потужність сигналу і смуга частот (база сигналу B) є основними ресурсами системи зв'язку. Ці ресурси витрачаються на передачу інформації. Ефективність витрати ресурсів характеризується показниками енергетичної і частотної ефективності

. (2)

R-- швидкість коригуючого коду

PcЇпотужність сигналу

No-- одностороння спектральна щільністьпотужності білого шуму

FЇ смуга частот, займані сигналом

При цьому гранична залежність, що визначає взаємозв'язок параметрів ефективності, має вигляд:

(3)

Будь-який реальний радіоканал матиме гірші характеристики енергетичної і частотної ефективності. Аналіз виразів (1) - (3) показує, що якщо швидкість передачі інформації R задана, то при роботі з низьким відношенням сигнал/шум для завадозахищеної системи зв'язку необхідно зменшувати частотну та енергетичну ефективність. Таким чином, основним фізичним показником якості широкосмугового каналу є відношення сигнал/шум на виході кореляційного приймача, а для зменшення цього відношення необхідно знижувати частотну або енергетичну ефективність системи зв'язку за рахунок штучного розширення бази сигналів. До системи з ППРЧ, як правило, пред'являються більш жорсткі вимоги до точності загальносистемної синхронізації передавача і приймача. Крім того, на роботу даних систем в значній мірі впливає диференціація умов проходження електромагнітних коливань з різними довжинами хвиль. Тому в якості висновку з аналізу СПД широкосмугових шумоподібних сигналів (ШШС) слід вказати, що найдоцільніше для організації дуплексного каналу управління і телеметрії “борт-земля-борт” використовувати сигнали з прямим розширенням спектру за рахунок заміни примітивних елементарних сигналів переносниками з псевдошумовою структурою.

Висновки

Серед всіх варіантів БПЛА, можемо відзначити, що найкраще буде розділити їх за дальністю застосування. Малої дальності,середньої і великої. Загалам існує величезна кількість різноманітних варіантів та моделей БПЛА, головними розробниками і постачальниками цих апаратів є закордонні фірми такі як “ DJI”, “AeroVironment”, “ Northrop Grumman Corporation ”. Спосіб запуску безпілотників в небо також відрізняється, це може бути запуск «з руки» оператором (якщо він невеликих розмірів), вертикальний зліт або ж з розгону, використовуючи злітну смугу. Для контролю машини використовують канал управління який може бути на приклад супутниковим, радіо чи GSM каналом. Кожен з цих варіантів має свої переваги і недоліки, проте в любому випадку, не беручи до уваги який саме канал управління ми використовуємо, будь то прямий радіоканал чи супутниковий, він потребує захисту від подавлення. Саме тому, щоб уникнути цього застосовуються системи широкосмугового зв'язку або використання періодичних стрибків несучої частоти згідно із законом, близьким до випадкового - режим псевдовипадкової перестройки робочої частоти (ППРЧ)

2. Детальний огляд та аналіз СКК

2.1 Аналіз можливостей і вибір принципу реалізації інформаційного каналу

При розгляді каналу управління зроблений висновок щодо можливості його реалізації за рахунок максимального “жертвування” показниками ефективності використання фізичного ресурсу (що виправдане, в основному, низькою інтенсивністю інформаційних потоків). Однак інформаційний канал, навпаки, не можливо реалізувати без досягнення надзвичайно високих показників питомих частотних і енергетичних витрат. Це викликано великим об'ємом даних, передаваних в умовах жорсткого частотно-часового і енергетичного ресурсів системи розвідки.

Принциповим питанням даного аналізу є вибір аналогового або цифрового способу передачі даних відеоінформації. При цьому під терміном “відеоінформація” слід розуміти дані, отримані в результаті ведення оптико-електронної розвідки, оскільки у будь-якому випадку результат спостережень формується у вигляді масиву (растру) даних статичного (фотографічного) або динамічного (телевізійного) типу. Природним прагненням будь-якого розробника системи дистанційної розвідки є отримання динамічного способу отримання і представлення спостережень в масштабі часу, найбільш близькому до реального. Проте на практиці ідеального результату досягти неможливо внаслідок наступних причин:

- обмеження ваги і габаритів апаратури, що виливаються в частотно-енергетичні обмеження;

- функціонування комплексу в умовах інтенсивної протидії і обмеженого польотного (часового) ресурсу.

В БПАЛ теоретично можливе застосування принципів як аналогового, так і цифрового телебачення або передачі фотознімків. Кожен з цих способів характеризується набором аргументів “за і проти”.

Проте покажемо, що зважений аналіз переваг і недоліків все ж таки робить доцільнішим цифровий варіант реалізації системи.

Аналоговий спосіб. Головна перевага цього варіанту - можливість отримання телевізійного зображення об'єктів розвідки в динаміці реального часу (не менше 25 кадрів в секунду). До недоліків слід віднести надзвичайно низьку перешкодостійкість інформаційного каналу в умовах труднощів створення бортових вузьконаправлених орієнтованих передавальних антен і малої потужності передавача, а також високі питомі витрати на передачу даних. Перешкода навіть малої інтенсивності може привести до непоправних інформаційних втрат внаслідок високої чутливості аналогових зображень до спотворень, особливо при вирішенні завдань точного розпізнавання замаскованих об'єктів на місцевості. При цьому для створення оперативних баз даних зображень (з можливістю збереження і повторного масштабованого відтворення) на основі аналогових форм відеоданих необхідно здійснювати “оцифрування” сигналу, спотвореного завадами, що приведе до зниження роздільної здатності. Випромінюваний аналоговий телевізійний сигнал є доступним в повному об'ємі для всіх одержувачів, розташованих в зоні упевненого прийому, зокрема для високоточних засобів вогневого ураження противника. Це може мінімізувати ефективність результатів розвідки або привести до знищення БПЛА.

Традиційним видом модуляції при використанні аналогового телебачення є частотна модуляція (ЧМ). При використанні ЧМ вибору підлягає девіації частоти (відхилення модульованої частоти від несучої), із зростанням якої поліпшується енергетика лінії, але необхідне використання ширшої смуги частот.

Після вибору девіації на основі наближеної формули Карсона з поправочним коефіцієнтом 1,1, можна визначити необхідну смугу пропускання тракту:

(5)

fд - девіація частоти;

fв - верхня частота в спектрі передаваємого сигналу.

З аналізу виразу (5) можна зазначити, що для передачі сигналу з девіацією 6 МГц буде потрібна смуга частот, приблизно рівна 26 МГц.

Потенційні властивості аналогових систем можна прослідкувати на прикладі відомих розробок. Так, наприклад, в Росії розроблені малогабаритні мовні станції аналогового сигналу АЛТ-500 з наступними характеристиками:

- направлені антени типу “хвилевий канал” (розміри 20 х 300 х 1000 мм);

- радіопередавач (розміри 250 х 120 х 40 мм);

- діапазон частот 240 ч 430 МГц (телевізійні канали 12 - 38);

- потужність передавача -0,1 Вт;

- смуга частот випромінювання на зайнятому каналі - 16 МГц;

- дальність в умовах прямої видимості -- 500 м.

Якщо, наприклад, припустити, що можна підвищити потужність передавача в 10 разів і розмістити на борту антену з адаптивною спрямованістю, аналогічною “хвилевому каналу”, то дальність трансляції в межах прямої видимості підвищиться до 1 - 1,5 км. Приблизно аналогічні характеристики мають і інші відомі аналогові розробки апаратів класу “міні”.

Звідси можна зробити висновок про надзвичайну обмеженість функціональних можливостей аналогових телевізійних засобів розвідки малогабаритних БПЛА.

Повернемося тепер до єдиної переваги використання аналогового інформаційного сигналу - реального масштабу часу динамічного зображення. Чи можна його вважати пріоритетним? Наступний приклад показує, що, загалом, реальний масштаб є невиправдано надмірним для завдань оперативної розвідки. Наприклад, для БПЛА ТУ-243 “РЕЙС-Д” розвідувана площа за один виліт складає близько 2100 кв. км. Тривалість польоту БПЛА складає біля півгодини. Для того, щоб упевнено розпізнавати цілі типу "танк", "автомобіль", площа одного незалежного елементу зображення на місцевості повинна бути близько 0,1 кв. м. Таким чином, за один виліт “РЕЙС-Д” отримує 10 2,1 10 незалежних елементів зображення. Для того, щоб проглянути зображення такого об'єму на персональній ЕОМ з екраном (1024 х 768 = 786432 елементів дозволу) треба виконати 26703 перегляди.

Наприклад, при інтенсивності перегляду 1 екран в секунду буде потрібно 7,4 години на перегляд первинної розвідувальної інформації, отриманої оптико-електронною системою розвідки БПЛА за один політ протягом 30 хвилин.

Звідси можна зробити висновок про неможливість передавати розвідувальну інформацію з борту БПЛА в реальному масштабі часу. В даному випадку тільки надзвичайна необхідність отримувати розвідувальну інформацію до того, як БПЛА буде знищений противником, виправдовує передачу інформації по радіолінії.

Цифровий спосіб. Враховуючи вищезазначене, передача розвідувальної інформації в цифровому форматі має незаперечні переваги, до яких слід віднести:

висока якість цифрового зображення, що досягається усуненням характерних для аналогових методів завад за допомогою цифрових методів підвищення перешкодостійкості сигналів;

можливість гнучкої адаптації якості (роздільної здатності) за командами оператора БПЛА;

велика ефективність використання спектрального діапазону - цифровий сигнал вимагає меншої ширини смуги каналу;

можливість скритного передавання (скремблювання і засекречування) інформації;

придатність отриманих кадрів зображень для програмної обробки і архівації в базах даних;

сучасний стан розвитку інтегральної елементної бази, який дозволяє застосовувати модульний принцип реалізації різних варіантів цифрових телевізійних систем;

можливість варіювання кількістю передачі даних в одиницю часу на користь підвищення якості (достовірності) передачі та ін.

2.2 Основні параметри та класифікація СКК

До основних параметрів СКК, найчастіше відносяться:

N - розмірність

K- кількість інформаційних символів

- квадрат мінімальної відстані, Евкліда нормований по середній потужності

До основних параметрів СКК, можемо віднести:

· тип перешкодостійких кодів;

· Тип ансамблю

· Спосіб узгодження модуляції та кодування

За типом перешкодостійких кодів всі СКК можуть бути поділені на два великі класи: СКК на основі блокових кодів і СКК на основі безперервних кодів. Крім того, окремий клас складають СКК на основі каскадних кодів, в яких застосовуються одночасно блокові і безперервні коди. Кожен з класів ділиться на групи по конкретних видах коду.

Серед блокових найбільш вживаними є коди Хеммінга, Голея, Ріда-Соломона, Ріда-Маллера та ін.

При використанні згорткового коду зручним є випадок, коли при обсязі ансамблю сигналів швидкість згорткового коду вибирається рівною Тоді частотна ефективність у системи з кодуванням і без нього одна і та ж. Оскільки кожен кодовий блок довжиною переноситься одним двовимірним сигналом, то і СКК вважається також двовимірною. Декодування СКК ведеться зазвичай за алгоритмом Вітербі, що реалізовує принцип максимальної правдоподібності. Одна з найважливіших переваг СК полягає в простоті застосування алгоритму Вітербі.

Будь яка СКК незалежно від способу узгодження модуляції та кодування являє собою каскадний код з ансамблем сигналів на внутрішній ступені і одним або декількома перешкодостійкими кодами на зовнішній. При використанні декількох перешкодостійких кодів говорять про побудову СКК на основі узагальненого каскадного коду.

За типом ансамблів сигналів СКК діляться на конструкції з одновимірними, двовимірними і багатовимірними сигналами.

Багатовимірні сигнали складаються з простіших (одновимірних, двовимірних) сигналів. При використанні в якості складових двовимірних сигналів число позицій , відповідних кожному -мірному сигналу, визначається виразом , де - позиційність двовимірного сигналу. Кожен -мірний сигнал в цьому випадку утворюється послідовністю двовимірних сигналів. Наприклад, для отримання багатовимірного сигналу з вимагається послідовність з трьох двовимірних сигналів, наприклад ФМн-4.

Способи узгодження модуляції та кодування умовно можна розділити на дві групи: узгодження кодом Грея та узгодження на основі розбиття ансамблю на вкладені підансамблі.

Сигнально-кодові конструкції, що належать першій групі, являють собою результат узгодження відомих двійкових перешкодостійких кодів з багатопозиційним ансамблем сигналів шляхом використання коду Грея в якості маніпуляційного коду. Оскільки помилки відбуваються за рахунок переходів в області сусідніх сигналів, то кодові блоки, відповідні сусіднім сигналам, повинні відрізнятися найменшим числом двійкових символів.

Друга група включає в себе досить велику кількість типів СКК, що розрізняються модифікаціями методів узгодження. Розбиття здійснюється таким чином, що підансамблі містять рівну кількість сигналів, відстані між сусідніми сигналами підансамблей однакові, а мінімальні відстані між сигналами підансамблей збільшуються з кожним кроком розбиття. Широке практичне застосування отримало узгодження шляхом розбиття ансамблю на вкладені підансамблі, коли зовнішніми кодами являються згорткові коди. В основі синтезу СКК зі згортального кодами лежить пошук кодів, максимізуючих евклідову відстань, причому зазвичай ці коди не є оптимальними в метриці Хеммінга. У ґратчастої діаграмі, яка описує згорткові коди в метриці Евкліда, переходи між станами промарковані НЕ двійковими блоками, а сигнальними точками.

Таким чином, досягнення близьких до граничних показників частотно-енергетичної ефективності цифрових систем зв'язку припускає узгодження кодека і модему з урахуванням статистичних властивостей безперервного каналу. Одне з рішень подібного узгодження представляють сигнально-кодові конструкції згорткового кодування. Декодування за алгоритмом Вітербі забезпечує енергетичний виграш близько 3... 7 дБ без розширення займаної смузі частот.

Серед характерних варіантів СКК є “Решіткові сигнально-кодові конструкції”, “Сигнально-кодові конструкції для гаусівських каналів” та “Багатопозиційні СКК”

Класифікація сигнально-кодових конструкцій

В основі формування СКК лежать операції відображення інформаційної послідовності в кодову, шляхом внесення надмірності і кодової послідовності в канальну заданням маніпуляційного коду. Завадостійке кодування, що підвищує енергетичну ефективність системи електричного зв'язку (СЕЗ), є однією з найважливіших операцій формування СКК. Одержуваний при цьому енергетичний виграш від кодування залежить від ступеня збільшення мінімальної сигнальної відстані між дозволеними кодовими блоками. В якості сигнальної для каналу адитивного білого гаусівського шуму (АБГШ) використовується відстань Евкліда. Асимптотичний енергетичний виграш визначається формулою (4):

(4)

де -- мінімальна евклідова відстань між дозволеними кодовими блоками;

(АЕВК, дБ)-- асимптотический енергетичний виграш

-- мінімальна евклідова відстань між різними некодованими послідовностями канальних символів однакової потужності з кодованими символами.

Згідно (4), для отримання більших величин енергетичного виграшу при побудові СКК необхідно підбирати коди, які максимізують мінімальну евклідову відстань між дозволеними кодовими комбінаціями.

2.3 Дослідження варіантів СКК

СКК з багатопозиційними сигналами

В сучасних телекомунікаційних системах для підвищення швидкості передачі інформації по каналу зв'язку широко використовуються багатопозиційні сигнали. Перехід до багатопозиційних сигналів дозволяє підвищити питому швидкість передачі інформації. Типові приклади ансамблів двовимірних багатопозиційних сигналів показані на рис. 2.1. Однак, при цьому знижується завадостійкість, оскільки із зростанням числа позицій відстані між сигналами зменшуються. Для компенсації погіршення завадостійкості доцільно використовувати коригувальні коди які містять набір кодерів кодів (1... j..м), які можна трактувати як зовнішні коди по відношенню до ансамблю сигналів, формованих модулятором. Найчастіше ці сигнали називають внутрішнім кодом. У цьому випадку використовують визначення такої СКК, як узагальнений каскадний код (УКК). У таких структурах важливу роль відіграє метод узгодження виходів кодерів з входом модулятора, яке здійснюється0формувачем0блоку0кодових0символів.т

Рис. 2.1 Багатопозиційні ансамблі нееквідистичних сигалів

Одним з можливих способів узгодження є застосування модуляційного коду Грея. (Код Грея - система числення, в якій два сусідніх значення розрізняються тільки в одному розряді. Найбільш часто на практиці застосовується рефлексивний двійковий код Грея, хоча в загальному випадку існує нескінченна безліч кодів Грея для систем числення з будь-якою основою.) У більшості випадків, під терміном «код Грея» розуміють саме рефлексивний бінарний код Грея. Спочатку призначався для захисту від помилкового спрацьовування електромеханічних перемикачів. Сьогодні коди Грея широко використовуються для спрощення виявлення та виправлення помилок у системах зв'язку, а також у формуванні сигналів зворотного зв'язку в системах управління.) У цьому випадку тип сигнально-кодової конструкції позначають як СКК-Г. Поряд з кодом Грея можливе використання будь-якого іншого модуляційного коду, наприклад, арифметичного коду. Такі конструкції будемо позначати як СКК-А.

Зовсім не обов'язково використовувати в структурі СКК двійкові коди. Тут «крайнім випадком» може бути недвійковий код з основою алфавіту АФМ-8 Рис. 2.2. багатопозиційні ансамблі нееквідістантних сигналів ФМ-8 КАМ-16 КАМ-32 d1 d3 d4 d2 v 98 M, рівним обсягом алфавіту багатопозиційного ансамблю. Типовим є застосування M-ічного коду над кільцем класів відрахувань цілих чисел R (M), символами якого є елементи ансамблю сигналів ФМ-М. Такі конструкції будемо позначати як СКК-М.

Запропонований метод узгодження, покладений в основу побудови групових сигнально-кодових конструкцій (Г-СКК). Метод виявився простим, ефективним і в даний час повсюдно використовується. Основна концепція побудови групових сигнально-кодових конструкцій заснована на використанні властивостей симетрії і групових властивостей багатопозиційних ансамблів сигналів.

Щільне розташування сигнальних точок на рис. 2.3. забезпечує високу питому швидкість. Однак, щільні ансамблі НЕ еквідистичних: в ансамблі ФМ-8 Евклідовому відстані між найближчими сигнальними точками зростають: d1 <d2 <d3 <d4.

Використовуємо метод декомпозиції ансамблю нееквідістантних сигналів, що складається в тому, що вихідний ансамбль розкладається на набір вкладених ансамблів (підансамблей, кожні точки яких належать вихідного ансамблю), причому, відстані між сигнальними точками в підансамблях di повинні підкорятися нерівності: dmin <di <dmax, де dmax, dmin - максимальне і мінімальне відстані ансамблю. При побудові Г-СКК приналежність до подансамблям кодується набором зовнішніх кодів з зростаючими кодовими відстанями, які вибираються таким чином, щоб вирівняти всі результуючі відстані.

Неодмінним елементом синтезу нових СКК є декомпозиція (розкладання) ансамблю канальних сигналів на набір вкладених підансамблей.

У численних роботах по СКК таке розкладання проводиться евристично [6]. Такі методи декомпозиції засновані на використанні "очевидних" властивостей симетрії багатопозиційних ансамблів і на наступному "проріджуванні" ансамблів при переході до ансамблям більш низького рівня, мінімальні відстані в яких в результаті цього зростають. Сказане ілюструється прикладом розбиття ансамблю ФМ-8 з роботи [10], представленим на рис. 5.3, де показано розбиття вихідного ансамблю A0 на вкладені підансамблі B0 і B1, з подальшим розбиттям, відповідно, на вкладені ансамблі C1, C2 і C4 (при цьому відстані в ансамблях зростають (dA <dB <dC).

В цілому структура кодера-модулятора з таким розбиттям ансамблю представлена на рис. 2.3. Вибір підансамбля проводиться символами коректуючого коду зі швидкістю Rкод = k / n, потім вибір сигналів в межах підансамбля проводиться символами без збиткового коду зі швидкістю Rкод =1. Фактично, при такому кодуванні коригувальні властивості коду виявляються узгодженими з дистанційними властивостями набору сигналів багатопозиційного ансамблю.

Рис 2.2 Розбиття ансамблю ФМ-8 на вкладені підансамблі відстань в підансамблях А В і С зростають: <d1<d2<d3

Рис 2.3 Структура кодера-модулятора СКК

Решіткові сигнально-кодові конструкції

У перші роки дослідження СКК в них застосовувалися в якості зовнішніх тільки блокові коди. Подальші дослідження підтвердили доцільність використання для цієї мети більш ефективних згорткових кодів і алгоритму А. Вітербі для декодування всієї СКК. По суті, такі СКК перейшли в розряд ґратчастих. У цьому розділі детально аналізуються властивості решіткових сигнально-кодових конструкцій (РСКК).

Розглянемо структуру РСКК, показану на рис. 2.4. яка містить кінцевий автомат. До складу автомата входить K елементів затримки (D - оператор затримки символів на один такт). На вході автомата діє випадкова послідовність інформаційних символів U, обираних з алфавіту обсягу M. У відповідності з теорією кінцевих автоматів набір символів на входах елементів затримки

S=(s1, s2,..., sK)

називається вектором станів. З надходженням на i-му такті на вхід автомата символу fff з послідовності U автомат з попереднього стану

S (i-1) = (s (i-1), 1, s (i-1), 2,..., s (i-1),

K) переходить в наступний стан

S (i) = (s (i), 1, s (i), 2,..., s (i), K).

Якщо кількість елементів пам'яті автомата рівна K і обсяг алфавіту символів на

вході автомата дорівнює M то, у відповідності з теорією кінцевих автоматів число станів автомата визначається числом можливих варіантів вектора станів, тобто S = . Далі символи вектора станів надходять на формувач гілок (ФГ), на виході якого утворюються гілки W (i) = f (S (i)) як деяка функція вектора станів. Далі гілки W (i) подаються на модулятор, в якому відповідно до обраного методу модуляції виробляється формування сигналу-переносника Si (t).

Рис 2.4 Структура решіткової СКК

Поведінка такого автомата характеризується решітковою діаграмо (Решіткою) з числом станів S. Решітка є спрямований граф, який описує переходи автомата з попередніх станів у всі наступні (приклади решіток різних автоматів наведено на рис. 2.5). Гілки, що з'єднують попередні та наступні стану решітки маркуються символами, які є функціями попередніх станів і визначаються алгоритмом роботи. Викладене вище дає підставу називати такий автомат «формувачем решітки» (ФР), а розглядувані далі СКК називати «решітковими сигнально-кодовими конструкціями» (РСКК). У загальному випадку відображення S > W може бути як лінійним, так і нелінійним. Пристрій такого відображення може входити до складу модулятора (М).

Рис. 2.5 Приклад СКК з простим згортковим кодером коду D--елемент затримки на такт Їсуматор по модолю 2

Сигнально-кодові конструкції для гаусівських каналів

Перші варіанти СКК були запропоновані і досліджені саме для каналів з постійними параметрами і адитивним білим шумом [2... 6]. Типові характеристики таких СКК з сигналами ФМ-М представлені в табл. 1.1

Таблица 1.1

Характеристики СКК с сигналами ФМ-М

Метод модуляции	Многочлены кода	R	DfE	Вид СКК		АЭВК, дБ	Показатель сложности W
ФМ-8	(72,45)	1/2	1,933	СКК-М	0,75	4,77	8
ФМ-8	(63,54)	1/2	1,808	-.-	0,75	5,15	8
ФМ-8	(711,342)	1/2	2,022	-.-	0,75	6,22	64
ФМ-8	(621,153)	1/2	2,059	-.-	0,75	6,27	64
ФМ-8	(41,24,6)	2/3	2,0	СКК-Г	1,0	3,0	4
ФМ-8	(40,21,4)	2/3	2,0	-.-	1,0	3,0	4
ФМ-8	(22,11,04)	2/3	2,141	-.-	1,0	3,6	8
ФМ-8	(30,45,4)	2/3	2,141	-.-	1,0	3,6	8
ФМ-8	(45,22,10)	2/3	2,272	-.-	1,0	4,1	16
ФМ-8	(32,41,5)	2/3	2,272	-.-	1,0	4,1	16
ФМ-16	(400, 200, 010)	3/4	1,149	-.-	1,5	-1,8	16

· -вільна відстань по Хеммінга,

· - Квадрат вільної відстані в матриці Евкліда.

· (АЕВК, дБ)- асимптотический енергетичний виграш

· R- швидкості

· W- показник тяжкості

· - питома швидкість

Вказані спосіб узгодження сигналу і зовнішнього коду, що породжують многочлени якого дані в стандартній восьмеричної формі. За рахунок застосування високошвидкісного ансамблю ФМ-16 вдається отримати питому швидкість

= 1,5 (біт / відлік) при незначному зниженні енергетичної ефективності на величину порядку 1 дБ. При відборі СКК для реалізації слід враховувати показник складності W, що характеризує число станів решітчастої діаграми РСКК.

Застосування

В останні роки проводилися численні дослідження з метою знаходження ефективного підходу для застосування ґратчастого кодування в системах з кодовою конструкцією (КК) та в системах з парціальним відгуком (PRS). В загальному випадку, застосування решіткового кодування (РК) для підвищення надійності або вірності цифрової передачі інформації в каналах з КК ґрунтується на використанні згорткових кодів. Згорткові коди часто використовуються в практичних системах зв'язку для захисту переданих сигналів від помилок. Проте, раніше невирішеною частиною загальної проблеми є завдання з узгодження згорткового коду з модулятором (чи каналом), що має пам'ять. Однак, аналіз систем передачі, в яких спільно використовуються кодування і модуляція - досить складна задача. Враховуючи це, постановкою завдання для подальшого вирішення є завдання раціональної побудови таких сигнально-кодових конструкції (СКК) (методи кодування-модуляції) [2], які сполучать у собі якості, як багатопозиційних ансамблів, так і завадостійких кодів. Вони допускають досить прості в практичній реалізацій алгоритми декодування і при використанні їх в системах радіозв'язку дозволяють істотно приблизитися до теоретичних меж ефективності. Спільне застосування КК і гратчасто-кодованої модуляції (ТСМ) [4] найбільш ефективне для мобільних систем зв'язку, а також для каналів з нелінійностями і завмираннями. Об'єднання ГК і QPRS одержало назву квадратурної ґратчасто- кодованої модуляції з парціальним відгуком. Аналіз останніх досліджень і публікацій, в яких покладено початок рішення проблеми, а також пропонуються багато неординарних шляхів її рішення, показав перспективність проведення подальших досліджень в згаданій області, їх актуальність і доцільність. Перша робота за аналогічною тематикою [3], присвячена розробці ГК для каналів з КК, базувалася на ідеях, викладених в [4], з урахуванням положень про двійкове згорткове кодування з Т станами [2]. Зокрема, для класу IV PRS з передатною функцією (ПФ) (1-D) 2, Wolf і Ungerboeck [3] запропонували створити канал як транспонування двох каналів з ПФ (1-D) і використати попередній кодер (предкодер) з ПФ (1D) -1. В цьому випадку, реалізується декодер Вітербі з 2 +1 станами. Такий декодер є оптимальним [3]. Однак, можна знайти приклади, коли для деякого класу згорткових кодів, що мають 2 станів, число станів декодера максимальної правдоподібності, погодженого з кодом, предкодером і каналом КК, складає не більше, ніж 2 . Такий декодер прийнято називати погодженим. Відзначимо, що в системах з КК застосовуються також інші завадостійкі методи кодування [5, 6, 7]. Перейдемо до викладу основного матеріалу з математичним обгрунтуванням отриманих результатів. Особливості застосування ґратчастих кодів для захищених каналів з КК Суть таких ГК складається у використанні згорткового коду, кодуванні вихідної послідовності предкодером і передачею цієї послідовності по каналу з КК. Основна ідея застосування ЗК полягає в тому, що при відповідному виборі методу КК збільшується мінімальна вільна евклідова відстань (МСЕР) між дозволеними послідовностями. Асимптотичний енергетичний виграш кодування (АЕВК-G) складає 2 - 6 дБ у порівнянні з некодованою системою при використанні кодів середньої складності [1, 2, 6]. Методи ГК застосовуються в системах КК для підвищення надійності за рахунок досягнення, в основному, двох цілей: а) підвищення завадозахищеності систем з КК шляхом виключення деяких небажаних послідовностей, які виникають при проходженні кодуючої решітки. Це робиться з метою підвищення МСЕР між дозволеними вихідними послідовностями каналу, щоб виграш кодування був вище, ніж у системі без ГК; б) усунення появи необмежених небажаних послідовностей однакових символів на виході каналу. Остання властивість необхідна для забезпечення нормальної роботи систем синхронізації та автоматичного регулювання підсилення (АРП). Ці два пункти досягнення більшої надійності забезпечуються за рахунок втрат швидкості передачі та застосуванні складних кодерів і декодерів максимальної правдоподібності. Основна ідея застосування ґратчастих кодів для каналів з КК полягає в тому, що декодер максимальної правдоподібності, що використовує алгоритм Вітербі (АВ), повинен бути погодженим як з надмірністю згорткового коду і предкодером, так і з величиною між символьної інтерференції (МСІ), що вводиться каналом з КК. Отже, застосування ЗК, предкодер та декодера Вітербі може забезпечити надійну та ефективну передачу цифрової інформації в каналах з КК. З точки зору застосування багаторівневої передачі, спільне використання корелятивної техніки кодування і ЗК дає надію на ефективне використання спектра і потужності сигналу, а також забезпечує такий же АЕВК, як системи з нульовою пам'яттю при еквівалентній складності устаткування. Одначе, є приклади, коли досягнутий АЕВК для систем PRS з використанням двійкових згорткових кодів при однаковій складності декодерів виходить меншим, ніж для звичайних двійкових каналів з повним відгуком та без МСІ [7]. Зазвичай, при застосуванні коригувальних кодів у двійкових системах ймовірність помилки системи поліпшується за рахунок розширення спектра та (або) ускладнення апаратури. Однак, в даному випадку, недолік, який є результатом підвищення швидкості передачі через введення захисних бітів, зникає, тому що КК використовує багаторівневу передачу. Другий недолік усувається сумісним застосуванням ЗГ та КК в каналах з пам'яттю, і, тому як відзначалося раніше, не призводить до збільшення складності устаткування. Отже, ГК може підвищити надійність передачі інформації без розширення смуги частот при незмінній структурі приймача, хоча може змінити число станів декодера.

...