Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
PSTN IDU Multiplexer IDU IDU ODU ODU Intelsat VI 60є 64 kbps 64 kbps 64 kbps 64 kbps Gateway Berlin 16 m Antenna Рисунок 9.1 Схема работы SCPC-системы При наличии такого канала пользователи могут устанавливать связь друг с другом в любой момент. Чаще приходится иметь дело с конфигурацией сети типа «звезда» (принцип «центр с каждым»), когда имеется одна станция в головном офисе (отделении, представительстве и т.п.) и несколько станций в удаленных отделениях, филиалах. При использовании данной схемы возможна организация потоков цифровой информации со скоростью от 32 Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 99 кбит/сек до 8 Мбит/с и обеспечение телефонной, телефаксной связи между центром и периферией. Данная система открывает возможность выхода через спутниковые станции на международный телепорт в Берлине и далее в любую страну мира. Кроме этого возможно получение прямого московского номера и через телепорт в Москве возможно ведение телефонных переговоров по странам бывшего СССР. В целом следует отметить, что SCPC-система является очень мощной альтернативой арендованных некоммутируемых каналов, ведомственных линий и т.п. Весьма привлекательна она как средство передачи больших объемов информации с высокой скоростью. Вследствие использования спутниковых цифровых каналов, она является некритичной к дальности и помехозащищенной. 9.2.2. TES-система TES-система предназначена для обмена телефонной и цифровой информацией в сетях, что построены по принципу «mesh» («каждый с каждым») или, другими словами, в сетях с полным доступом. Это означает, что возможна телефонная связь между любыми двумя абонентами сети, кроме этого абонентам обеспечивается выход в международную сеть общего пользования через телепорт (Gateway) в Берлине [11]. В простейшей конфигурации обеспечивается связь по одному телефонному или факсимильному каналу. Абоненту предоставляется дополнительная возможность организации передачи цифровой информации между двумя станциями, входящими в сеть (см. рисунок 9.2). Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 100 Fax Fax IDU IDU ODU ODU Intelsat VI 60є 32 k bp s 3 2 k b p s 32 kbp s 3 2 k b p s PSTN Gateway Berlin 16 m Antenna NCS 1 2 3 n 1 2 n 1 2 n transparent Data Link transparent Data Link Рисунок 9.2 Схема работы TES-системы Сеть работает по принципу DAMA – когда абонент не имеет жестко закрепленного за ним спутникового канала, а этот канал предоставляется ему по первому требованию, причем с высокой (более 99%) вероятностью. Этот способ позволяет уменьшить число арендуемых спутниковых каналов и обеспечить приемлемые цены для абонентов. В целом, использование именно TES-системы является самым оперативным и действенным способом доступа в международную телефонную сеть, а также хорошим средством связи с теми областями, которые обладают либо неразвитой инфраструктурой связи, либо вообще не имеют таковой. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 101 9.2.3. Система PES Система персональных земных станций (Personal Earth Station) PES™ – спутниковая диалоговая пакетно-коммутируемая сеть, предназначенная для обмена телефонной и цифровой информацией в рамках ССС с топологией типа «звезда», с возможностью полного дуплекса [11]. Система располагает крупной и дорогой центральной станцией (HUB station) и многими небольшими и недорогими периферийными станциями PES или REMOTE (см. рисунок 9.3). INTELSAT VI 60є 64 kbps kbps 64 kbps Центральная станция (Hub) IDU DU ODU IDU ODU IDU ODU Главный оффис LAN филиала LAN филиала 64 kbps 64 kbps Рисунок 9.3 Структура PES-системы Большая эффективная излучаемая мощность и высокое качество приема центральной станции делает возможным применение на PES малых антенн диаметром 0,5-1,8 м и маломощных передатчиков мощностью 0,5-2 Вт. Это значительно снижает стоимость абонентской ЗС. В отличие от других вышеназванных систем, в этой передача информации всегда идет через HUB. С точки зрения энергетики системы и ее стоимости (соответственно и Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 102 стоимости предлагаемых услуг) оптимально расположение центральной ЗС в центре зоны освещения спутника. Например в сети, работающей через спутник INTELSAT-604, центральная ЗС расположена в Москве. 9.2.4. Описание VSAT-станции Стандартный вариант связи SCPC (связь по топологии «точка-точка») – это две VSAT-станции, расположенные у в двух пунктах, и соединяются через спутник. Канал связи жестко закреплен за пользователем [11]. Радиочастоты и другие параметры спутникового канала Станции спутниковой связи работают обычно в 2 диапазонах: С- диапазон (прием 4 ГГц, передача 6 ГГц) и Кu-диапазон (прием 11 ГГц, передача 14 ГГц). Так как передача идет в цифровом виде, то используется фазовая модуляция. Так как, чем уже занимаемая полоса, тем меньше используется ресурс спутника, то применяется модуляция QPSK 3 , которая эффективнее в 1,5 раза модуляции BPSK 4 , т.е. в один и тот же период времени при всех остальных равных условиях с помощью QPSK передается в 1,5 раза больше информации, чем с использованием BPSK. Для увеличения надежности приема передаваемого сигнала, требуемая по стандарту SSOG-309 величина ошибок BER 5 1 10 -8 , применяются различные методы помехозащитного кодирования. Одним из таких методов является метод прямого исправления ошибок (FEC 6 ), при этом методе сообщение делится на некоторые кванты и отдельные кванты передаются повторно. 3 QuadriPhase Shift Keying – квадратичная манипуляция 4 Binary Phase Shift Keying – двоичная манипуляция 5 Bit Error Rate – вероятность ошибки 6 Forward Error Corect Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 103 9.2.5. Конструкция и технические характеристики Спутниковая станция типа VSATпо конструктивному признаку состоит из высокочастотного (ODU 7 ) и низкочастотного (IDU 8 ) модуля. ODU, состоящий из антенны и приемопередатчика, размещается вне здания, в котором устанавливается IDU, состоящий из модема и мультиплексора (каналообразующей аппаратуры), как показано на рисунке 9.4 [11]. LNC HPA RF Driver Unit (TR) Питание IF Cable 1.8 m Antenna Power supply Рисунок 9.4 Внешний блок (антенна и приемопередатчик) Стaндapтный вapиaнт комплектaции включaет параболическую aнтенну небольшого диаметpa и пpиемопеpедaтчик. В зaвисимости от местоpaсположения спутниковой стaнции по отношению к центpу зоны освещения спутникa и скоpости пеpедaчи в кaнaле используются более мощные передатчики или антенны большего диаметра. В помещении устанавливается модем и мультиплексор. 7 OutDoor Unit – внешний модуль 8 InDoor Unit – внутренний модуль Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 104 ODU и IDU соединены между собой радиочастотными (RF 9 ) кабелями. По ним идет сигнал промежуточной частоты (IF 10 ). IF используемая бывает 70 или 140 МГц. По функциональному назначению VSAT-станция делится на базовый комплект, который обеспечивает передачу самого канала и дополнительное оборудование, которое обеспечивает мультиплексирование этого канала. Внешний блок Внешний, или как его иногда называют высокочастотный блок, состоит из антенны и приемопередающего блока, который устанавливается на этой антенне. Приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, его усиление и передачу «вверх», а также прием высокочастотного сигнала со спутника его преобразование в низкочастотный и передачу к внутреннему блоку. Антенна Однозеркальная антенна обычно выполняется по схеме офсет (со смещенным центром). Схема офсет позволяет снизить уровень боковых лепестков идущих параллельно земли и дающих максимальные помехи. Также данная схема позволяет избежать накопления атмосферных осадков на поверхности рефлектора. Антенна состоит из: рефлектора (зеркала), системы облучения, опорно-поворотного основания (ОПУ). Приемопередающий блок Основной терминал состоит из: СВЧ блока преобразования частот 9 Radio Frequence 10 Intermedia Frequence Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 105 усилителя мощности (SSPA 11 или TWT 12 ), малошумящего конвертора (LNC), блока электропитания (PS 13 ) соединительных кабелей. Функция приемопередатчика заключается в преобразовании, после модулятора, сигнала IF, на конверторе вверх, в RF сигнал для передачи через антенну и в преобразовании полученного RF сигнала в сигнал IF, на конверторе вниз, для блока, используемого как демодулятор. Внутренний блок Внутренний блок представляет собой 19‖ стойку с установленными в ней спутниковым модемом и мультиплексором. Иногда в стойке устанавливается и дополнительное оборудование сумматоры, вентиляторы, UPS 14 и т.п. UPS может устанавливаться и вне стойки, отдельно. Спутниковый модем Спутниковый модем, в части модулятора предназначен для кодирования передаваемого цифрового потока, пришедшего из мультиплексора, модулирования сигнала по IF, необходимого усиления и передачи сигнала на внешний блок. И приема сигнала IF из внешнего блока, усиления его, демодулирование в цифровой сигнал, декодирование и передачу в мультиплексор, в части демодулятора. Мультиплексор Мультиплексор предназначен для мультиплексирования голосовой, факсимильной информации и передаваемых данных. Мультиплексор позволяет скомбинировать ежедневные телефонные и факсимильные сообщения с синхронной и асинхронной передачей данных в один канал, предаваемый по локальным сетям, наземным или спутниковым линиям. Это 11 Solid-State Power Amplifier – твердокристалический усилитель 12 Traveling Wave Tube – лампа бегущей волны (ЛБВ). 13 Power Supply – блок питания. 14 Uninterruptable Power Supply – блок бесперебойного питания. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 106 позволяет снизить телекоммуникационные затраты путем увеличения возможностей передачи важной информации и одновременного уменьшения пропускной способности канала. Спутниковый Шлюз Для выхода на сети наземных телекоммуникаций используются спутниковые шлюзы (большие станции к которым подключены через спутник VSAT-станции). Шлюз может обеспечивать обеспечивает: выход на телефонные сети; услуги междугородной связи с выходом на сеть общего пользования; услуги международной телефонной связи; выход на специальные телефонные сети, например «Искра-2»; выход на сети передачи данных (РОСНЕТ, INTERNET, RELCOM и др.); возможность аренды наземного канала до любой точки в г.Москве: В последнее время в большинстве современных и проектируемых системах находит применение стандарт ISDN. Существуют глобальные сети, в которых этот стандарт взят за основу, например EuroISDN. ISDN в глобальных сетях применяется и в России. Шлюз позволяет обеспечить высокоскоростной выход на INTERNET, до 2 Мбит/сек. В данном варианте возможно получить доступ ко всем услугам INTERNET (WWW, TelNet, E-mail, FTP и др.). Все описанное выше, также относится и к другим глобальным сетям передачи данных. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 107 9.3. Радиосигналы в спутниковых системах связи Основой любой системы радиосвязи является аппаратура формирования радиосигналов на передающей стороне и аппаратура, обеспечивающая обработку и выделение информации на приемной стороне. Именно аппаратура сигналообразования определяет помехоустойчивость системы и полосу частот, занимаемую радиосигналами, что, в конечном итоге, является определяющими параметрами для оценки экономической эффективности системы [12]. В общем случае под аппаратурой сигналообразования понимается совокупность технических средств, предназначенных для формирования и обработки сигналов, используемых для передачи информации в цифровых системах. В спутниковой связи эти операции обычно выполняет модем радиосигналов, который помимо традиционных функций модуляции и демодуляции выполняет роль кодера и декодера, локального мультиплексора, перемежителя символов, скремблера и т.д. Таким образом, современные спутниковые модемы обеспечивают выполнение всех функций по преобразованию информационных и служебных последовательностей символов в радиосигналы промежуточной частоты на передаче и обратное преобразование на приемной стороне. Ниже будут рассмотрены технические характеристики радиосигналов, которые используются в спутниковых системах связи с открытой архитектурой, позволяющей работать различным независимым пользователям в режиме «один канал на несущую» (Single Channel Per Carrier - SCPC), занимая, например, часть ствола ретранслятора. 9.3.1. Помехоустойчивость приема радиосигналов В соответствии с теорией потенциальной помехоустойчивости наилучшие показатели достоверности приема двоичной информации без избыточности обеспечиваются в случае использования противоположных Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 108 сигналов и их когерентной обработки на приеме. Данному требованию удовлетворяют некоторые типы фазоманипулированных сигналов. Наиболее широкое распространение получили фазоманипулированные радиосигналы: двухфазная фазовая манипуляция (ФМ-2); четырехфазная фазовая манипуляция (ФМ-4); офсетная ФМ-4; манипуляция с минимальным сдвигом частоты (ММС) [12]. Эти классические виды модуляции могут быть представлены в виде непрерывных посылок, принимающих противоположные значения в квадратурных каналах, и имеют постоянную огибающую, что позволяет использовать выходную мощность передатчика в максимальной степени (для односигнального режима). В то же время фазовой манипуляции свойственен эффект «обратной работы», связанный с неопределенностью фазы при восстановлении несущей частоты на приеме. Для устранения этого эффекта применяется относительное преобразование, приводящее к некоторому ухудшению помехоустойчивости приема. Помимо 2- и 4-фазных методов манипуляции в современных системах связи используются некоторые другие типы классических радиосигналов, в частности, восьмифазная фазовая манипуляция (ФМ-8) и 16-позиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ-16). При ФМ-8 одна радиопосылка несет информацию о трех битах. Сигналы с ФМ-8 имеют постоянную огибающую, но не удовлетворяют условию противоположных сигналов, из-за чего при одинаковой скорости передачи информации уступают по помехоустойчивости ФМ-2 и ФМ-4 порядка 3,5 дБ. Дальнейшее увеличение градаций фазы несущей в радиопосылках приводит к резкому снижению помехоустойчивости, поэтому многофазные сигналы (с количеством фаз 16 и более) в спутниковых системах используются очень редко. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 109 При КАМ-16 одна посылка несет информацию о четырех битах, а радиосигналы имеют непостоянную огибающую, так как амплитуда является информационным параметром. Такие сигналы достаточно чувствительны к амплитудным искажениям в трактах и быстрым замираниям в канале. По помехоустойчивости радиосигналы с КАМ-16 проигрывают более 4 дБ системам с ФМ-2 и ФМ-4. Необходимо отметить, что модель гауссовского канала для спутниковых линий связи, которая часто используется для теоретической оценки помехоустойчивости приема радиосигналов, может быть применена лишь с определенным приближением, в предположении отсутствия замираний и воздействия внешних помех. 9.3.2. Радиосигналы со сглаживанием Классические фазоманипулированные сигналы в недостаточной степени удовлетворяют требованиям минимизации защитных частотных интервалов между сигналами при их частотном уплотнении в общем радиостволе. В связи с этим специалисты в области спутниковой связи, и в первую очередь международная организация Intelsat, разработали алгоритмы формирования радиосигналов и их кодирования, позволяющие обеспечить плотную расстановку каналов при частотном уплотнении, что стало фактическим стандартом для всех спутниковых систем связи с открытой архитектурой [12]. Для этого радиосигналы на передаче подвергаются дополнительному сглаживанию соответствующими фильтрами. Такие сигналы отличаются от классических (с тем же названием) тем, что благодаря специальным мерам по сглаживанию формы сигнала в них обеспечивается резкое снижение спектральной плотности мощности уже в первом боковом лепестке. Из-за этого возникает амплитудная модуляция в результирующем радиосигнале. Материалы [12] регламентируют процедуры формирования и обработки сигналов. На передающей стороне видеоимпульсы прямоугольной формы в квадратурах подвергают предыскажениям в частотно избирательном тракте, Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 110 эквивалентном последовательно соединенным фильтру Най-квиста, минимизирующего межсимвольные искажения, и формирующего фильтра. Intelsat задает ограничительную маску для амплитудной и фазовой характеристики предыскажающего передающего фильтра. Параметры фильтра согласованы с основным лепестком спектральной плотности мощности сигнала. Аналогично регламентируются параметры когерентного демодулятора и его приемных фильтров. Параметры фильтров для радиосигналов с ФМ-2, ФМ-4 и ФМ-8 идентичны и нормируются к длительности радиоимпульса. Спектральная плотность средней мощности радиосигналов на выходе модулятора должна удовлетворять маске, которая задается в регламенте оператора спутника. Следовательно, у классических и сглаженных фазоманипулированных радиосигналов спектральные плотности средней мощности похожи в основном спектральном лепестке, однако у сглаженных сигналов этот лепесток более равномерен вблизи несущей частоты, а ярко выраженные боковые лепестки и нули отсутствуют. Таким образом, предыскажения на передаче позволили сформировать радиосигналы со спектром, приближающимся к прямоугольной (то есть максимально компактной для данного вида сигнала и скорости передачи) форме. 9.3.3. Кодирование сигналов и показатели помехоустойчивости Наиболее распространенным методом кодирования является сверточное кодирование и декодирование по алгоритму Витерби. При низких вероятностях ошибок более предпочтительно применение последовательного декодирования, однако на практике оно используется нечасто из-за заметных вычислительных сложностей при работе в зашумленном канале. В то же время реализация алгоритма Витерби более проста, а использование мягкого декодирования по сравнению с жестким решением позволяет получать выигрыш в помехоустойчивости примерно 2 дБ, приближаясь по этому Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 111 параметру к последовательному декодированию. Сверточные коды имеют заметный выигрыш в помехоустойчивости и работают при умеренно высоких вероятностях ошибок, что позволяет использовать такие коды с малой длиной кодового ограничения и алгоритмом декодировать по Витерби. В спутниковых системах связи, как правило, используются сверточные коды с кодовым ограничением 7 и скоростями кодирования r = 1/2 и 3/4, а в ряде случаев 7/8 для сигналов с ФМ-2, ФМ-4 и КАМ-16. На приеме рекомендуется применять мягкое решение с 8-уровневым квантованием. Сверточный код позволяет, например, при вероятности ошибки приема одиночного символа Р ош = 10 -6 в гауссовском канале получить выигрыш в помехоустойчивости сигналов с ФМ-4: 4,5 дБ (для r = 1 /2); 3 дБ (для r = 3/4) и 1,9 дБ (для r = 7/8). Для радиосигналов с ФМ-8 используется разновидность сверточного кодирования со скоростью r = 2/3, получившая название решетчатого кодирования (Trellis-Coded Modulation -ТСМ). При тех же условиях выигрыш от применения решетчатого кодирования может составлять более 5 дБ. Свойство сверточных кодов работать при относительно небольших вероятностях ошибок позволяет использовать их в качестве внутренних кодов, а в качестве внешних применять блочный код Рида-Соломона, требующий высокого качества канала связи. На выходе декодера Витерби неправильно принятые символы обычно группируются в пакеты, из-за чего ошибки в последовательных символах кода Рида-Соломона могут быть коррелированными. Для устранения этого эффекта используется такое перемежение, чтобы никакие два символа на выходе декодера Витерби, расстояние между которыми меньше глубины декодирования (величина, примерно в 5-6 раз большая кодового ограничения), не принадлежали одному кодовому слову кода Рида-Соломона. Совместное использование сверточного кода и кода Рида-Соломона позволяет получить хорошие характеристики помехоустойчивости сигналов. Однако коды Рида-Соломона имеют достаточно резкую зависимость вероятности ошибки от отношения Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 112 сигнал / шум, поэтому необходимо соблюдать осторожность при их использовании в каналах с быстрыми замираниями. Для радиосигналов с ФМ-2 и ФМ-4 рекомендуется применять коды Рида-Соломона RS (n, I, t), где n - кодовая длина; l - число информационных символов в блоке; t - корректирующая способность кода, t = (n - 1) / 2, а скорость кодирования г = 1 / n 1. В зависимости от скорости передачи и типа системы предлагается использовать коды RS(126, 112, 7), RS(225, 205, 10), RS(219, 201, 9), RS(194, 178, 8), RS(208, 192, 8) с глубиной блокового перемежения, равной 4 или 8. Эти коды достаточно близки по параметрам и расширяют полосу частот не более чем на 10% (кроме первого кода с короткими блоками, расширяющего полосу на 12%). В зависимости от используемого типа радиосигнала при Р ош = 10 -6 энергетический выигрыш может достигать 2 дБ. При улучшении качества канала энергетический выигрыш от использования кода Рида- Соломона резко увеличивается. Аналогично для радиосигналов с ФМ-8 совместно с решетчатым кодированием рекомендуется использовать внешний код Рида-Соломона RS(219, 201, 9), что позволяет при Р ош = 10 -6 получить дополнительный выигрыш в помехоустойчивости 2,5 дБ (и более в случае улучшения канала связи). 9.3.4. Турбо-кодирование За последнее десятилетие путь от открытия до внедрения в практические разработки прошли турбо-коды. Данное техническое решение пропагандируется рядом крупнейших производителей оборудования и, в первую очередь, Comtech EF Data, па чьих материалах и базируется настоящий анализ [12]. Достоинством турбо-кодов является возможность обеспечивать высокие характеристики помехоустойчивости при умеренной сложности оборудования. Турбо-коды подразделяются на сверточные (Turbo Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 113 Convolutional Codes -ТСС) и блоковые (Turbo Product Codes – ТРС). Потенциально турбо-коды ТСС на 0,5 – 1 дБ превосходят коды ТРС, однако имеют ряд недостатков, осложняющих их применение. Среди последних можно указать эффект несанкционированных ошибок, когда ошибки при декодировании возникают даже в условиях отсутствия помех в канале. Коды ТСС требуют перемежения символов, что увеличивает задержку в канале. Кроме того, для использования кода ТСС потребуется лицензионное согласование с France Telecom, сотрудником которого был разработчик кода Клод Берру (Claude Berrou). Турбо-коды ТРС не имеют в явном виде недостатков кодов ТСС и могут быть представлены в виде 2- или 3-мерной решетки небольших блочных кодов (Хемминга, постоянного веса или смешанных). Как правило, наилучшими характеристиками обладают коды с большой эквивалентной длиной блока и структурой, допускающей приемлемую сложность реализации. Этим условиям удовлетворяет каскадное кодирование, обеспечивающее определенный компромисс между исправляющей способностью и сложностью декодера. При этом внутренний кодер обрабатывает как информационные, так и проверочные биты внешнего кодера, поэтому часть пропускной способности канала тратится на передачу символов, являющихся «проверочными от проверочных». В турбо-кодах параллельное каскадирование исключает передачу двойных проверочных символов, вследствие чего исправляющая способность возрастает. Применение турбо-кодирования позволяет получить хорошие результаты в случае использования глубокого перемежения при вероятности ошибки по битам порядка Р ош = 10 -6 . При Р ош = 10 -7 классическое турбо-кодирование уже оказывается неэффективным. В этом случае применяют сочетание последовательного каскадного кодирования и внутреннего турбо-кода. Блоковым кодом может быть код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ). Хорошие свойства помехоустойчивости турбо-кодов обеспечиваются благодаря сильной коррелированного веса выходной кодированной Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 114 последовательности и вида информационного потока, а также применению псевдослучайного перемежителя, изменяющего вид входного потока. При этом один код дополняет другой таким образом, что при малой исправляющей способности одного кода увеличивается исправляющая способность другого кода и наоборот. В принципе число составных кодов в турбо-коде может быть больше двух при соответствующем усложнении кодера. Турбо-код представляет собой систематический код, в котором проверочная группа образуется из проверочных символов, генерируемых двумя кодерами составных рекурсивных сверточных кодов. При этом кодер добавляет проверочную группу символов, сформированную первым кодом непосредственно из информационной последовательности, и проверочную группу символов второго кодера, образованную из информационных символов, прошедших устройство псевдослучайного перемежения. Декодер использует мягкое решение от демодулятора. Внешняя информация о каждом информационном бите вырабатывается декодером элементарного кода с использованием сведений об информационных символах, содержащихся только в проверочной группе данного составного кода. Поэтому внешняя информация оказывается некоррелированной с мягкими решениями демодулятора по каждому информационному биту и с информацией о передаваемых информационных символах, содержащейся в проверочной группе другого элементарного кода. Это позволяет использовать внешнюю информацию каждого элементарного кода в качестве априорных сведений о передаваемых информационных символах в процессе декодирования в другом элементарном декодере. В процессе декодирования декодеры составных рекурсивных сверточных кодов обмениваются друг с другом внешней информацией, с каждой итерацией снижая среднюю вероятность ошибки на бит в декодированной информационной последовательности. Однако наличие цепи обратной связи в декодере приводит к коррелированное внешней информации с проверочными Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 115 символами, что ограничивает выигрыш от декодирования определенным пределом. По аналогии с другими кодами можно определить турбо-код как Turbo(n, 1), причем скорость турбо-кодирования г = 1 /n есть отношение числа информационных символов к числу символов кодированной последовательности. Как показывают практические исследования, применение турбо-кодов позволяет повысить помехоустойчивость приема сигналов на 1-3 дБ и более в зависимости от типа радиосигналов, скорости и вида кодирования, качества канала связи и т.д. Кроме того, пороговые свойства у турбо-кодов обычно лежат на 2-3 дБ ниже, чем в системах, использующих декодирование по Витерби и Риду-Соломону, поэтому их использование в федингующем канале более предпочтительно. В настоящее время турбо-кодеки реализованы для всех типов радиосигналов, используемых в спутниковых системах связи – от ФМ-2 до КАМ-16. Количество вариантов турбо-кодов, реализованных для различных систем связи, достаточно велико. Расширенные турбо-коды (Enhanced Turbo Product Code – eTPC) имеют короткий размер блоков и небольшую избыточность. Например, код со скоростью 0,95 не приводит к большим задержкам и имеет хорошие показатели помехоустойчивости. В то же время, как показывают оценки Comtech EF DATA, эффективность турбо-кодов даже с большими блоками значительно уступает предельно достижимой (соответствующей пределу Шеннона). Таким образом, реализация новых методов кодирования основывается на возросших вычислительных возможностях элементной базы. Необходимо отметить, что документы Intelsat (Intelsat Earth Station Standards – IESS) регламентируют используемые в открытых спутниковых системах связи типы радиосигналов, виды сверточного и блокового кодирования, что позволяет обеспечивать совместную работу оборудования различных производителей. Для турбо-кодирования подобного согласования в настоящее время не существует, что в целом не предполагает возможность Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 116 совместной работы модемов различных фирм с использованием ТРС. Однако эффективность турбо-кодирования подтверждена действующим оборудованием ряда крупных международных компаний, в связи с чем можно ожидать, что регламентация алгоритмов формирования и обработки турбо-кодов будет произведена в материалах международного технического сообщества в ближайшем будущем. 9.3.5. Технология одночастотной передачи Для эффективного использования полосы частот ретранслятора компания Comtech EF Data предложила новую для спутниковых приложений технологию организации дуплексной связи на одной частоте, названную Double-Talk Carrier-in-Carrier тм . Запатентованное техническое решение позволяет в первую очередь на новых мощных ретрансляторах практически вдвое повысить пропускную способность за счет одновременного использования общей полосы частот двумя работающими друг с другом наземными станциями. Использование общей полосы частот ретранслятора двумя станциями в чем-то аналогично случаю работы в двухпроводной телефонной линии с применением эхокомпенсации [12]. Технология может использоваться для полнодуплексных спутниковых линий, когда каждая наземная станция принимает свой собственный переданный сигнал. Применение подобного метода приема и передачи стало возможным благодаря появлению эффективных методов кодирования, работающих при небольших отношениях сигнал/шум, и развитию технологической базы высокоскоростных сигнальных процессоров. Обработка сигналов производится специализированным модемом, содержащим адаптивный компенсатор переданного радиосигнала. Модем вычисляет задержку в распространении сигнала до ретранслятора и обратно, запоминает и задерживает на эту величину переданный сигнал, что необходимо для его компенсации из смеси двух принятых сигналов. Адаптивная фильтрация и система фазовой автоподстройки частоты Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи» 117 обеспечивают динамическую подстройку меняющейся во времени задержки, частоты, фазы и амплитуды сигнала, прошедшего ствол ретранслятора, и обеспечивает компенсацию собственного сигнала на величину вплоть до 30 дБ. Большой выигрыш, получаемый системой компенсации собственного сигнала, позволяет успешно работать даже несимметричным линиям связи с различными размерами антенн и объемами передаваемой информации. По утверждению Comtech EF Data, использование данной технологии приводит к незначительному ухудшению энергетики линии связи (типичное значение снижения отношения сигнал/шум на приеме менее 0,5 дБ). Даже если уровни сигналов отличаются друг от друга на 10 дБ, например, из-за различных размеров антенн на наземных станциях или в силу других причин, система продолжает сохранять работоспособность. Технология может быть использована в случаях частотного и энергетического ограничения. При работе с энергетическим ограничением целесообразно использовать радиосигналы с кодированием, обеспечивающие спектральную эффективность не хуже 1,5 (бит/с)/Гц. Однако максимальная эффективность обеспечивается для симметричных линий. Данный метод передачи и приема сигналов в общей полосе частот может быть применен уже сегодня: для его реализации Comtech ЕЕ Data предлагает спутниковый модем CDM-Qx, который работает в системах DoubleTalk Carrier-in-Carrier тм . Однако применение рассмотренного способа должно быть предварительно строго проанализировано, поскольку этот способ приемлем для решения не всех задач. |