Файл: Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок.pdf

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.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
118

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
119 того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.
2.
Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание
0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно
«Sumitomo» на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные», так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка
1 Гбит/с.
10.1.2.
Технические особенности
1.
Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.
2.
Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.
3.
Стеклянные волокна – не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
120 фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.
4.
Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.
Существует способ скрытой передачи информации по оптическим линиям связи. При скрытой передаче сигнал от источника излучения модулируется не по амплитуде, как в обычных системах, а по фазе. Затем сигнал смешивается с самим собой, задержанным на некоторое время, большее, чем время когерентности источника излучения.
При таком способе передачи информация не может быть перехвачена амплитудным приемником излучения, так как он зарегистрирует лишь сигнал постоянной интенсивности.
Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции.
Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена как
1:2N, где N – количество сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.
5.
Важное свойство оптического волокна – долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
121 кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.
Есть в волоконной технологии и свои недостатки:
1.
При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы
(соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи дорогостоящее.
2.
Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому достаточно дорогое, технологическое оборудование.
3.
Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.
Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи
(ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.
10.2.
Оптическое волокно
Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в
США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме «CORNING») оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению