Исследование помехоустойчивости передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий

Актуальность темы

.

За шесть десятилетий своего развития радиорелейные линии (PPJI) превратились в эффективное средство передачи сотен и тысяч телефонных сигналов на расстояния в тысячи километров, наряду с другими средствами связи, в том числе кабельными и спутниковыми, удачно дополняя их. Сегодня PPJI стали важной составной частью сетей электросвязи — ведомственных, корпоративных, региональных, национальных и даже международных, поскольку имеют ряд важных достоинств, в том числе:

• экономически выгодная, а иногда и единственно возможная организация многоканальной связи на участках местности со сложным рельефом (лес, горы, болота и пр.), что особенно актуально для российских условий;

• возможность быстрой установки оборудования при небольших капитальных затратах (малые габариты и масса РРС позволяют размещать их, используя уже имеющиеся помещения, опоры и всю инфраструктуру сооружений);

• качество передачи информации по PPJI практически не уступает BOJIC и другим кабельным линиям.

В 1999 г. аналоговые PPJI прямой видимости составляли порядка 90% общей протяженности радиорелейных линий. В настоящее время протяженность действующих PPJI только на магистральной сети России составляет порядка 75 тысяч километров (около 1200 станций), а общая протяженность PPJI связи достигла 200 тысяч километров. По статистике, как для зарубежных, так и для отечественных телекоммуникаций протяженность радиорелейных линий различного назначения составляет 40 — 60% от общей протяженности кабельных линий связи. Таким образом, можно считать радиорелейные линии важной составляющей телекоммуникационных сетей различного уровня.

Современное развитие телекоммуникаций, обусловленное бурным ростом новых видов услуг, требует ускоренного перехода к цифровым системам передачи (ЦСП). Существующая широко развитая сеть аналоговых магистральных и внутризоновых радиорелейных линий делает экономически целесообразным использование аналоговых радиорелейных станций для организации цифровых трактов (процесс модернизации аналоговых радиорелейных линий в цифровые носит название «цифровизация»).

Цифровизация заключается в замене или реконструкции оконечного оборудования телефонного или телевизионного радиоствола, при этом сохраняется структура радиорелейной линии, то есть на промежуточных станциях осуществляется переприем по промежуточной частоте без демодуляции сигнала. Тем самым теряется такое преимущество цифровой связи, как возможность регенерации цифрового потока и отсутствие накопления помех от станции к станции, следовательно, ограничивается возможная дальность связи.

Расчет качественных показателей при передаче цифровых сигналов по аналоговым РРЛ на первом этапе реализации цифровизации не производился и вывод о возможности связи на конкретном участке РРЛ производился на основе практических измерений.

Теоретическое исследование возможностей использования аналоговых РРЛ для передачи цифровых сигналов производилось с 70-х годов Каменским Н. Н., Минкиным В. М., Грозовским Л. М., Рахмановым С. Ю., Поборчим В. Д. и заключались в проведении научных исследований, практических работ и создании соответствующего оборудования и нормативной документации.

Проведенные ими исследования показали возможность организации аналого-цифрового ствола для передачи цифрового сигнала на поднесущей частоте с применением двухи четырехпозиционной фазовой* модуляции, а также возможность организации полностью цифрового ствола для передачи третичного цифрового потока методом четырехпозиционной фазовой модуляции. При расчете качественных характеристик таких трактов учитывались тепловые шумы, продукты нелинейных преобразований аналогового и цифрового сигналов, степень нелинейности высокочастотного тракта аналоговой радиорелейной аппаратуры.

Использование указанных методов передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых РРЛ имеет существенное экономическое значение, так как позволяет организовывать цифровые тракты без значительных финансовых затрат, используя существующую инфраструктуру РРЛ. В ближайшие 10−15 лет данный вариант организации связи будет иметь немаловажное значение на внутризоновых и магистральных линиях для обеспечения цифровых каналов телефонии, цифровых каналов телевидения DVB, доступа в Интернет и соединительных линий операторов сотовой связи.

Перечисленные аспекты позволяют считать актуальным дальнейшее исследование возможностей цифровизации РРЛ. В частности целесообразно исследовать: влияние на помехоустойчивость нелинейности амплитудной характеристики и зависимости фазы выходного сигнала от амплитуды входного сигнала усилителя мощности передатчикавозможность применения многопозиционной фазовой модуляции для повышения скорости передачи цифрового сигнала и увеличения протяженности участка, на котором может быть организована связь без регенерации сигнала.

Цель работы и основные задачи исследования.

Целью настоящей работы является исследование особенностей передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых РРЛ, исследование факторов, определяющих отношение сигнал/шум для таких систем и разработка методики оценки помехоустойчивости при организации переприема сигналов без регенерации на промежуточных станциях.

Поставленная цель исследований требует решения следующих основных задач:

1) разработать методику определения нелинейных шумов ВЧ тракта с учетом вида передаваемого сигнала;

2) разработать методику определения нелинейных шумов, вызванных неоднородностями в антенно-фидерном тракте;

3) разработать методику определения шумов, возникающих при прохождении фазоманипулированного сигнала с неравномерной огибающей через СВЧ устройства с амплитудно-фазовой конверсией;

4) разработать методику определения помехоустойчивости и возможной дальности связи при передаче цифровых сигналов методом многопозиционной фазовой модуляции без регенерации сигналов на промежуточных радиорелейных станциях.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, математического моделирования, теории распространения радиоволн, а так же методы вычислительной математики и статистического моделирования. Часть результатов получена с использованием’численных методов, реализованных на компьютере в среде MathCAD. Для подтверждения полученных теоретических результатов разработана модель системы радиосвязи при передаче сигналов с фазовой модуляции в среде MatLAB, с помощью которой выполнены экспериментальные исследования.

Научная новизна результатов работы.

Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1) разработана методика определения отношения сигнал/шум на интервале радиорелейной линии с учетом особенностей фазоманипулированных сигналов и параметров аналогового радиорелейного оборудования;

2) разработана методика определения шумов при прохождении фазоманипулированного сигнала через устройства с амплитудно-фазовой конверсией;

3) разработана методика определения вероятности ошибочного приема при передаче фазоманипулированного сигнала для различных значений позиционности фазовой модуляции с учетом амплитудно-фазовой конверсии;

4) разработана методика определения вероятности ошибки при использовании метода уменьшения мощности радиопередающего устройства (Back-Ofj) для уменьшения амплитудно-фазовой конверсии с целью повышения помехоустойчивости приема;

5) разработана методика расчета возможной дальности связи с учетом структуры радиорелейной линии (количество промежуточных и узловых станций).

Достоверность полученных результатов.

Достоверность научных положений и работоспособность предложенных алгоритмов подтверждены результатами моделирования в среде MatLAB.

Практическая ценность результатов.

Рассмотренные в работе вопросы актуальны для практических приложений при модернизации действующих аналоговых радиорелейных систем передачи. Результаты, полученные в работе, позволяют учесть влияние реальных характеристик аналоговых PPJI на помехоустойчивость передачи по ним цифровых сигналов с многопозиционной фазовой модуляцией. Разработанные методики позволяют определять отношение сигнал/шум на интервале PPJI и рассчитывать возможную дальность связи без регенерации сигнала на промежуточных станциях, что позволит эффективнее осуществлять процесс цифровизации аналоговых радиорелейных систем передачи.

Выполненные исследования позволили выработать практические рекомендации для оценки возможной дальности связи при цифровизации аналоговых радиорелейных линий.

Работоспособность предложенных алгоритмов подтверждена результатами моделирования в среде MatLAB.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре систем радиосвязи (СРС).

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Международная научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2003 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г.

2. Третья региональная школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники (СПР-2005)», Новосибирск, 2005.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в их числе 4 статьи и 8 тезисов докладов.

Основные положения работы, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты исследований:

1) результаты исследования факторов, определяющих отношение сигнал/шум на интервале аналоговой радиорелейной линии при передаче цифровых сигналов с фазовой модуляцией и методика расчета отношения сигнал/шум;

2) результаты исследования влияния амплитудно-фазовой конверсии на помехоустойчивость приема сигналов с фазовой модуляцией и паразитной амплитудной модуляцией;

3) результаты исследования влияния метода Back-Off, применяемого для уменьшения влияния амплитудно-фазовой конверсии и результаты расчета вероятности ошибки при различных значениях Back-Off и различных методах модуляции;

4) результаты исследования возможной дальности связи без регенерации сигналов на промежуточных станциях.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 165 страниц машинописного текста, 84 рисунка, 22 таблицы. В библиографию включены 50 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проделанной работы можно сделать следующее заключение.

1. Приведен обзор основных способов цифровизации аналоговых радиорелейных линий и существующих работ по вопросам нормирования качественных параметров цифровых трактов, организованных в стволах аналоговых РРЛ. Для дальнейших исследований выбран наиболее перспективный вариант цифровизации, при котором весь спектр сигнала основной полосы занимается цифровым сигналом и для передачи используются фазовые методы модуляции.

2. Разработана методика расчета отношения сигнал/шум на интервале РРЛ, которая позволяет учесть:

• среднее значение уровня сигнала на входе приемника, которое обеспечивается в течение 50% времени для случая среднестатистической рефракции на интервале РРЛ;

• мощность тепловых шумов, приведенных к входу приемника;

• мощность нелинейных шумов высокочастотного тракта с учетом структуры фазоманипулированного сигнала и вида фазочастотной характеристики радиоствола аналогового радиорелейного оборудования;

• мощность нелинейных шумов антенно-волноводного тракта, с учетом согласованности на стыках волноводных элементов (через КСВ) и потерь сигнала при распространении по волноводу.

3. Полученные результаты показывают, что реальные средние значения отношения сигнал/шум имеют порядок 40- 45 дБ.

4. Разработана методика определения вероятности ошибки при воздействии амплитудно-фазовой конверсии на сигнал с фазовой модуляцией при наличии в нем скачков фазы, которые ведут к возникновению паразитной амплитудной модуляции сигнала. Методика позволяет учесть:

• зависимость паразитного фазового сдвига из-за АФК от значения скачка фазы в фазоманипулированном сигнале;

• наличие шума, который добавляет к фазовому сдвигу случайную составляющую и дополнительно смещает сигнальную точку на фазоамплитудной плоскости;

• вероятность возникновения различных скачков фазы в реальном М-ФМ сигнале, с учетом того, что в модулирующем цифровом сигнале произведена операция скремблирования.

5. На основе полученных зависимостей вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для методов модуляции 8- ОФМ, 4-ОФМ и 4-ОФМ-С рассчитаны:

• эквивалентное ухудшение отношения сигнал/шум при воздействии АФК по сравнению с теоретическими графиками для 4-ФМ и 8-ФМ;

• минимально-допустимые значения отношения сигнал/шум при которых вероятность ошибки достигает 10″ ;

• Допустимое число переприемов сигнала без регенерации на ПРС, после чего вероятность ошибки достигает 10″ .

6. Разработана методика оценки помехоустойчивости систем связи с учетом снижения уровня передачи (, Back-Off) и уменьшения влияния АФК и сопутствующего данному процессу снижение отношения сигнал/шум на входе приемника. Проведенные расчеты показывают возможность использования метода 8-ОФМ для передачи цифровых сигналов по аналоговым РРЛ, причем количество переприемов без регенерации сигналов может достигать двух.

7. Полученные результаты позволяют рассчитать вероятность ошибки на выходе РРЛ с учетом реальной структуры (количества промежуточных и узловых станций) и определить возможное число переприемов сигнала без регенерации (число интервалов).

8. Достоверность полученных аналитических результатов подтверждена моделированием рассматриваемых процессов в средq MATLAB.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Б. Н. Маглицкий,. М. Г. Кокорич. Повышение пропускной способности цифровых стволов на аналоговых радиорелейных линиях // Российская научно-техническаяконференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2003 г. — с.64.

2. В. И. Носов, М. Г. Кокорич. Анализ причин ухудшения качества, передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий // Материалы юбилейной (десятой) международной научно-технической конференции «Перспективы развитиясовременных средств и систем телекоммуникаций», Новосибирск, 2004 г. — с. 179.

3. М. Г. Кокорич. Особенности передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий // Труды третьей региональной научно-технической школы-семинара студентов, аспирантови молодых ученых «Современные проблемы: радиотехники СПР-2005», Новосибирск, 2005 г. -с.23−26. ' ;

4. М.Г.КокоричВлияние амплитудно-фазовой конверсии на вероятность ошибочного приемасигналовс 4-ОФМ -// Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2005 г. — с. 153.

5. М. Г Кокорич., В. И. Носов. «Анализ причин, влияющих на качество передачи цифровых сигналов по стволам аналоговых радиорелейных линий» // Международный научно-технический семинар «Перспективы развития средств и систем телекоммуникаций», Екатеринбург, 2005. — с. 58−64.

6. В. И. Носов, М. Г. Кокорич, Влияние параметров высокочастотного тракта аналоговой радиорелейной линии на качество передачи фазоманипулированного сигнала // Международный научно-технический I семинар «Перспективы, развития, современных средств и систем телекоммуникаций», Иркутск, 2006. — с. 106−114.

7. М. Г. Кокорич. Влияние характеристик радиоствола аналоговой радиорелейной линии на передачу цифровых сигналов с фазовой манипуляцией. //.

Международная школа конференция «Информационнотелекоммуникационные системы — 2006», г. Новосибирск, 2006 г. — 50−51 с.

8. В. И. Носов, М. Г. Кокорич. Влияние нелинейности ФЧХ высокочастотного радиотракта на качество передачи фазоманипулированных сигналов // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2006 г. — с. 33.

9. М. Г. Кокорич. Определение вероятности ошибочного приема сигналов М-ФМ при влиянии АФК // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2007 г. -с.217.

10. М. Г. Кокорич. Определение вероятности ошибочного приема сигналов с многопозиционной фазовой модуляцией, прошедших устройства СВЧ с АМ/ФМ преобразованием // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2008 г. -с.354.

11. М. Г. Кокорич. Исследование возможностей передачи сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) по стволам аналоговых радиорелейных линий. // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2008 г. — с.355.

12. Носов В. И., Кокорич М. Г., Дроздов Н. А. Влияние амплитудно-фазовой конверсии устройств СВЧ на качество передачи цифровых сигналов с фазовой модуляцией // Естественные и технические науки. — 2008. — № 5 — с. 116−121.