методы помехоустойчивого кодирования в спутниковой связи
Лекция №4. Виды модуляции в системах спутниковой связи. Помехоустойчивое кодирование в системах спутниковой связи.
2. Кодирование связи.
3. Основные системы множественного доступа.
Передача сообщений по радиоканалу осуществляется путем изменения параметров несущего колебания под воздействием информационного сообщения. При передаче аналоговых сигналов эти параметры изменяются непрерывно и пропорционально их уровню; при передаче цифровых сигналов в зависимости от значений одного или нескольких информационных символов осуществляется манипуляция параметров несущего колебания, то есть они принимают определенные фиксированные значения.
В первой половине XX века разрабатываются и внедряются аналоговые системы радиосвязи и вещания, по которым передаются сигналы телефонии (в том числе многоканальной) и телевидения. В этих системах применяются аналоговые методы модуляции, основанные на изменении параметров гармонической несущей (амплитуды, частоты и фазы) пропорционально величине модулирующего информационного сигнала. Многоканальные системы создаются с использованием частотного разделения каналов. В середине 30-х годов, в связи с развитием импульсной техники, выдвигаются новые идеи создания аналоговых многоканальных систем с импульсными видами модуляции и временным разделением каналов. Аппаратура выделения отдельных каналов в таких системах оказывается более простой по сравнению с системами, в которых используется частотное разделение каналов.
Создаются также системы связи (в основном в диапазоне ВЧ) для передачи сигналов телеграфии. В таких системах осуществляется манипуляция указанных выше параметров гармонического колебания.
На совершенствование цифровых методов передачи сигналов значительное влияние оказали положения теории информации, на основе которых во второй половине XX века были созданы помехоустойчивые коды и сложные многопозиционные сигналы. Это позволило обеспечить высокую помехоустойчивость приема сигналов, а также весьма эффективно использовать пропускную способность канала связи.
В середине XX века в связи с проблемами военной радиосвязи рождаются идеи использования в качестве несущего колебания широкополосных сигналов, а не гармонических. Широкое использование таких сигналов в системах фиксированной и подвижной связи начинается в последней четверти XX века.
Рассмотрим более подробно развитие методов передачи аналоговых и цифровых сигналов по радиоканалам.
Аналоговые методы модуляции
В XX веке для передачи сигналов амплитудная (AM) и частотная (ЧМ) модуляции получили значительное распространение в системах радиосвязи и вещания. Учеными и инженерами всего мира было сделано огромное число исследований и изобретений, направленных на их совершенствование.
Изобретение ЧМ относится к первым годам XX века. Однако в течение почти тридцати лет, до работ знаменитого американского инженера Э. Х. Армстронга, оно не находило практического применения. Начиная с 40-х годов этот вид модуляции получил широчайшее применение в огромном числе систем связи самого различного назначения: подвижной, радиорелейной, спутниковой связи, в ОВЧ-ЧМ вещании. Сотни научных и экспериментальных работ были направлены на исследование искажений ЧМ сигналов, возникающих в линейных цепях связных устройств, и помехоустойчивости приема таких сигналов.
Передачу речи с помощью AM первым, по-видимому, осуществил один из пионеров радиотехники, американский инженер Фессенден. Модуляция осуществлялась путем включения микрофона, изменяющего затухание в цепи, связывающей передающую антенну и машинный генератор высокой частоты. Этот вид модуляции с 1920 года стал основным в звуковом радиовещании в диапазонах низких, средних и высоких частот (НЧ, СЧ и ВЧ) и сети аналогового AM вещания, которые уже восемьдесят лет развиваются во всех странах мира. До 40-х годов этот вид модуляции использовался не только в вещании, но также и во всех других видах радиосвязи.
Большое значение для электросвязи имело изобретение американским ученым Карсоном амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП), сделанное в 1915 году. Этот метод модуляции позволяет весьма эффективно использовать полосу частот канала связи. Системы с ОБП широко применяются до сих пор в системах многоканальной связи и в телевизионном (ТВ) вещании.
Разделы сайта
Получение информационного доступа к сигналам спутниковых систем передачи информации
1. Общая характеристика спутниковых систем передачи информации.
В настоящее время для передачи информации коммерческими, военными и правительственными организациями активно задействуются системы спутниковой связи (ССС).
Спутниковая связь существенно отличается от других видов радиосвязи – радиорелейной, тропосферной, ионосферной, сотовой или транкинговой. В ССС основными показателями, определяющими размеры зоны обслуживания и энергетику радиолиний, являются тип орбиты и ее характеристики. ССС, ориентированные на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных, можно классифицировать по следующим признакам.
Тип используемых орбит. По этому признаку все ССС делятся на два класса – системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите (GEO) и на негеостационарной орбите. В свою очередь, негеостационарные орбиты подразделяются на низкоорбитальные (LEO), средневысотные (MEO) и эллиптические (HEO). Кроме того, низкоорбитальные системы связи подразделяются по виду предоставляемых услуг на системы передачи данных на базе little LEO, радиотелефонные системы big LEO и системы широкополосной связи mega LEO.
Принадлежность системы к службе. В соответствии с Регламентом радиосвязи различаются три основные службы – фиксированная спутниковая служба (ФСС), подвижная спутниковая служба (ПСС) и радиовещательная спутниковая служба (РСС).
Статус системы. Зависит от назначения системы, степени охвата обслуживаемой территории, размещения и принадлежности наземных станций. В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные и ведомственные.
Большинство существующих ССС используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, из-за доплеровского эффекта. Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности за исключением зон полюсов. Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых – задержка распространения сигнала.
Рис.1 Схема связи через геостационарный КА
Однако, зона обслуживания каждого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать орбитальную группировку из 8-12 спутников. Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5-2 часа).
В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 0 0 ), полярные (наклонение 90 0 ) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются, в основном, для научно-исследовательских целей, навигации, метеорологических наблюдений и фотографирования поверхности Земли. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 6-8 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700-1500 км, а также экваториальные высотой 2000 км.
Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА.
Для обеспечения глобального охвата земной поверхности и непрерывного обслуживания абонентов необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило 48 КА (см. Таблицу №1).
Таблица №1. Характеристика спутниковых систем связи
Количество КА в ОГ
48-66
Время пребывания КА в зоне радиовидимости (в сутки)
Задержка при передачи речи, мс
Региональная связь
Глобальная связь
Угол радиовидимости КА на границе зоны обслуживания, град.
Службы спутниковой связи
Наиболее крупными поставщиками услуг ФСС являются международные организации Intelsat, Intersputnik, PanamSat, Eutelsat, Arabsat, AsiaSat и др.
Подсистемы ПСС создавались в основном для сетей, имеющих радиальную или радиально-узловую структуру с большими центральной и базовой станциями, которые обеспечивали работу с подвижными наземными станциями. Потоки в сетях с предоставлением сигналов по требованию были невелики, поэтому в них применялись преимущественно одно- или малоканальные наземные станции. Обычно такие сети предназначались для создания ведомственных или корпоративных сетей связи с удаленными и подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями и т.д.), для организации связи в государственных структурах, в районах бедствия и при чрезвычайных ситуациях.
Качественный скачек в развитии ПСС произошел с внедрением цифровых методов передачи речи и данных и появлением первых проектов спутниковых систем на базе КА на негеостационарных орбитах (низких круговых и средневысотных). Орбиты таких спутников близки к к поверхности Земли, что дает возможность использовать вместо традиционных наземных станций дешевые малогабаритные терминалы и небольшие антенны. Применение низко- и средневысотных орбитальных группировок существенно расширяет сферу телекоммуникационных услуг спутниковых сетей, обеспечивая пользователей глобальной персональной связью с помощью терминала “телефонная трубка”.
Сейчас в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) использующих КА на низких орбитах. Наиболее известны проекты Iridium, Globalstar, Orbcomm.
Рис. 2. Пользователи спутниковой системы персональной связи Iridium.
Регламентом радиосвязи для систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы частот в диапазоне L (1,5/1,6 ГГц) и S(1,9/2,2 и 2,4/2,5 ГГц).
Из всех ПСС наиболее мощная орбитальная группировка на базе геостационарных КА принадлежит международной системе Inmarsat.
2. Получение информационного доступа
С развитием вычислительной техники и совершенствованием радиоэлектронных средств значительно усложнилась структура и характеристики передаваемых сигналов. Для решения задачи получения информационного доступа необходимо решить ряд сложных технических проблем.
Электромагнитный доступ обеспечивается путем правильного выбора антенно-фидерных устройств с учетом предполагаемого места съема информации и характеристик контролируемых источников.
При получении технического доступа к цифровым потокам, их обработка и выделение информационных каналов успешно решается с помощью средств СОРМ. Средства СОРМ имеют модульную структуру и благодаря таким качествам как масштабируемость, взаимозаменяемость и универсальность они могут быть легко адаптированы для обработки любых типов сигналов.
Рис. 3. Один из вариантов применения средств СОРМ.
3. Краткая характеристика сигналов отмечаемых в ССС
Основными методами многостанционного доступа (МСД) являются МДЧР, МДВР, МДКР. Наиболее распространенным является МДЧР, как наиболее дешевый и простой в реализации.
При передаче информации в подавляющем большинстве излучений используются фазовые методы модуляции.
В Таблице №2 представлены наиболее распространенные типы передач отмечаемые в ССС.
виды передаваемой информации
1
2
3
5
6
7
8
9
10
ИКМ (G.711) – цифровой поток в котором уплотнены информационные каналы (N*64 кбит/с) с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) согласно рекомендации G.711.
АДИКМ (G.721) – цифровой поток в котором уплотнены информационные каналы (N*32 кбит/с) с использованием адаптивной дифферинцированной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ) согласно рекомендации G.721.
Оборудование пакетного мультиплексирования каналов (PCME) расширяет возможности аппаратуры DCME добавляя к ним гибкость пакетной технологии, возможность обработки факсимиле, выделение полосы по требованию, интеграцию с пакетными сетями, многоадресность, установление виртуального соединения и т.д. Гибкость пакетной технологии позволяет использовать один и тот же терминал для различных применений. Такие возможности PCME как сжатие трафика речевого диапазона, обработка факсимиле группы 3, сжатие цифровых данных, управление подтверждением и встроенное эхоподавление доступны для всех применений. Оборудование PCME стало дальнейшим шагом повышения пропускной способности линий связи, снижения стоимости передачи информации на большие расстояния, обеспечения более гибкого управления перегрузкой в линиях связи. Дополнительной чертой PCME, наряду с использованием цифровой интерполяции речи (DSI) и низкоскоростного кодирования (АДИКМ в соответствии с рекомендациями МККТТ G/726 и G.727), является возможность управления скоростью передачи информации корреспондента в процессе её трансляции через промежуточные узлы за счет отбрасывания блоков из передаваемых пакетов, что позволяет гибко управлять сетью в режиме перегрузки.
Факсимиле – факсимильные сообщения могут передаваться в любых вышеописанных передачах. В настоящее время большинство передаваемых факсимильных сообщений принадлежит к 3 группе. Основные способы кодирования факсимильных бланков – код Хафмана; Read; MRC;.UMRC. Кодированные факсимильные сообщения преобразовываются в аналоговую форму и передаются в канал связи. Для уплотнения факсимильных сообщений в стандартные цифровые потоки они (например с помощью ИКМ или АДИКМ методов ) преобразуются в цифровой вид.
Анализ характера международных сообщений передаваемых в каналах систем связи показывает, что объем передаваемых факсимильных сообщений возрастает чрезвычайно быстрыми темпами. В среднем, факсимильные сообщения третьей группы составляют 90% всех сообщений передачи данных, передаваемых в речевом диапазоне.
Передача факсимильных сообщений в аппаратуре DCME со скоростью 40 кбит/с с использованием АДИКМ быстро исчерпывает пропускную способность ствола. С целью увеличения пропускной способности аппаратуры DCME по передаче факсимильных сообщений третьей группы, без ухудшения качества передачи речевых каналов, рядом иностранных фирм-производителей аппаратуры связи разработаны различные модификации аппаратуры обработки факсимиле, получившей название “факсимильный компрессор”. В 1992 году Международным Консультативным Комитетом по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) была принята рекомендация G.766 определяющая использование в аппаратуре DCME факсимильного компрессора.
В работу факсимильного компрессора заложен принцип обработки факсимиле позволяющий не только увеличить пропускную способность аппаратуры DCME, но и значительно улучшить качество передачи факсимильных сообщений по сравнению с существующими ИКМ и АДИКМ методами.
При получении факсимильного сообщения аппаратура DCME, имеющая в своем составе факсимильный компрессор, демодулирует его в исходный цифровой поток бит, мультиплексирует с другими цифровыми факсимильными данными и передает их в канале со скоростью 32 кбит/с. Тем самым исключается ухудшение фазовых характеристик факсимильного сигнала, возникающее при аналогово-цифровом преобразовании и передачи ИКМ сигнала по каналам связи. На оконечном устройстве системы связи факсимильный сигнал восстанавливается за счет процесса модуляции для дальнейшей передачи его абоненту. Таким образом, базовая модель факсимильного компрессора позволяет передавать в стандартном канале АДИКМ до трех факсимильных сообщений со скоростью 9600 бит/с и действует как регенератор факсимильных сигналов, исключая накопление искажения формы сигнала. Факсимильный компрессор может быть как встроенным в аппаратуру DCME, так и отдельным блоком в зависимости от конфигурации системы. Использование факсимильного компрессора позволяет достичь коэффициента уплотнения до 6:1 для факсимильных сигналов третьей группы, передаваемых со скоростями 9.6; 7.2; 4.8 и 2.4 кбит/с. Для высокоскоростных сигналов типа V.17 (12 кбит/с, 14.4 кбит/с) обеспечивается коэффициент уплотнения 4:1. В настоящее время на линиях связи отмечается активное использование факсимильных компрессоров, разработанных фирмами NEC и “ECI Telecom.
Помехоустойчивое кодирование с иcпользованием различных кодов
Это продолженеие статьи о помехоустойчивом кодировании, которая очень долго лежала в черновиках. В прошлой части нет ничего интересного с практической точки зрения — лишь общие сведения о том, зачем это нужно, где применяется и т.п. В данной части будут рассматриваться некоторые (самые простые) коды для обнаружения и/или исправления ошибок. Итак, поехали.
Попытался все описать как можно легче для человека, который никогда не занимался кодированием информации, и без каких-либо особых математических формул.
Когда мы передаем сообщение от источника к приемнику, при передаче данных может произойти ошибка (помехи, неисправность оборудования и пр.). Чтобы обнаружить и исправить ошибку, применяют помехоустойчивое кодирование, т.е. кодируют сообщение таким образом, чтобы принимающая сторона знала, произошла ошибка или нет, и при могла исправить ошибки в случае их возникновения.
По сути, кодирование — это добавление к исходной информации дополнительной, проверочной, информации. Для кодирования на передающей стороне используются кодер, а на принимающей стороне — используют декодер для получения исходного сообщения.
Избыточность кода — это количество проверочной информации в сообщении. Рассчитывается она по формуле:
k/(i+k), где
k — количество проверочных бит,
i — количество информационных бит.
Например, мы передаем 3 бита и к ним добавляем 1 проверочный бит — избыточность составит 1/(3+1) = 1/4 (25%).
Код с проверкой на четность
Проверка четности – очень простой метод для обнаружения ошибок в передаваемом пакете данных. С помощью данного кода мы не можем восстановить данные, но можем обнаружить только лишь одиночную ошибку.
Начальные данные: 1111
Данные после кодирования: 11110 ( 1 + 1 + 1 + 1 = 0 (mod 2) )
Принятые данные: 10110 (изменился второй бит)
Как мы видим, количество единиц в принятом пакете нечетно, следовательно, при передаче произошла ошибка.
Начальные данные: 1111
Данные после кодирования: 11110 ( 1 + 1 + 1 + 1 = 0 (mod 2) )
Принятые данные: 10010 (изменились 2 и 3 биты)
В принятых данных число единиц четно, и, следовательно, декодер не обнаружит ошибку.
Так как около 90% всех нерегулярных ошибок происходит именно с одиночным разрядом, проверки четности бывает достаточно для большинства ситуаций.
Код Хэмминга
первый проверочный бит на 2 0 = 1;
второй проверочный бит на 2 1 = 2;
третий проверочный бит на 2 2 = 4;
r1 = i1 + i2 + i4
r2 = i1 + i3 + i4
r3 = i2 + i3 + i4
В принципе, работа этого алгоритма разобрана очень детально в статье Код Хэмминга. Пример работы алгоритма, так что особо подробно описывать в этой статье не вижу смысла. Вместо этого приведу структурную схему кодера:
и декодера
(может быть, довольно запутано, но лучше начертить не получилось)
e0,e1,e2 опрделяются как функции, зависящие от принятых декодером бит k1 — k7:
e0 = k1 + k3 + k5 + k7 mod 2
e1 = k2 + k3 + k6 + k7 mod 2
e2 = k4 + k5 + k6 + k7 mod 2
Набор этих значений e2e1e0 есть двоичная запись позиции, где произошла ошибка при передаче данных. Декодер эти значения вычисляет, и если они все не равны 0 (то есть не получится 000), то исправляет ошибку.
Коды-произведения
В канале связи кроме одиночных ошибок, вызванных шумами, часто встречаются пакетные ошибки, вызванные импульсными помехами, замираниями или выпадениями (при цифровой видеозаписи). При этом пораженными оказываются сотни, а то и тысячи бит информации подряд. Ясно, что ни один помехоустойчивый код не сможет справиться с такой ошибкой. Для возможности борьбы с такими ошибками используются коды-произведения. Принцип действия такого кода изображён на рисунке:
Передаваемая информация кодируется дважды: во внешнем и внутреннем кодерах. Между ними устанавливается буфер, работа которого показана на рисунке:
Информационные слова проходят через первый помехоустойчивый кодер, называемый внешним, т.к. он и соответствующий ему декодер находятся по краям системы помехоустойчивого кодирования. Здесь к ним добавляются проверочные символы, а они, в свою очередь, заносятся в буфер по столбцам, а выводятся построчно. Этот процесс называется перемешиванием или перемежением.
При выводе строк из буфера к ним добавляются проверочные символы внутреннего кода. В таком порядке информация передается по каналу связи или записывается куда-нибудь. Условимся, что и внутренний, и внешний коды – коды Хэмминга, с тремя проверочными символами, то есть и тот, и другой могут исправить по одной ошибке в кодовом слове (количество «кубиков» на рисунке не критично — это просто схема). На приемном конце расположен точно такой же массив памяти (буфер), в который информация заносится построчно, а выводится по столбцам. При возникновении пакетной ошибки (крестики на рисунке в третьей и четвертой строках), она малыми порциями распределяется в кодовых словах внешнего кода и может быть исправлена.
Назначение внешнего кода понятно – исправление пакетных ошибок. Зачем же нужен внутренний код? На рисунке, кроме пакетной, показана одиночная ошибка (четвертый столбец, верхняя строка). В кодовом слове, расположенном в четвертом столбце — две ошибки, и они не могут быть исправлены, т.к. внешний код рассчитан на исправление одной ошибки. Для выхода из этой ситуации как раз и нужен внутренний код, который исправит эту одиночную ошибку. Принимаемые данные сначала проходят внутренний декодер, где исправляются одиночные ошибки, затем записываются в буфер построчно, выводятся по столбцам и подаются на внешний декодер, где происходит исправление пакетной ошибки.
Использование кодов-произведений многократно увеличивает мощность помехоустойчивого кода при добавлении незначительной избыточности.