ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
Радиосигналы в спутниковых системах связи
М.Г. Диденко, научный сотрудник ИИС РНЦ "Курчатовский институт"
●
Помехоустойчивость приема радиосигналов
●
Граница Шеннона
●
Спектральные характеристики радиосигналов
●
Радиосигналы со сглаживанием
●
Кодирование сигналов и показатели помехоустойчивости
●
Турбо-кодирование
●
Оценка эффективности радиосигналов
●
Технология одночастотной передачи
●
Основные производители спутниковых модемов
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.
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.
Помехоустойчивость приема радиосигналов
В соответствии с теорией потенциальной помехоустойчивости наилучшие показатели достоверности приема
двоичной информации без избыточности обеспечиваются в случае использования противоположных сигналов и
их когерентной обработки на приеме. Данному требованию удовлетворяют некоторые типы
фазоманипулированных сигналов.
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (1 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
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) [1].
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 16позиционная 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.
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 КАМ16 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.
Граница Шеннона
В соответствии с теоремой Шеннона предельная пропускная способность С (бит/с) гауссовского канала связи с
полосой частот F (Гц) оценивается выражением [2]:
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (2 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
C=F log2 (1 + h2 C/F),
где h2 = E/Nо - отношение средней энергии элемента принимаемого сигнала, соответствующего биту информации (Е),
к односторонней спектральной плотности мощности аддитивного белого шума (Nо).
Отсюда, в частности, следует, что в пределе для широкополосных гауссовских каналов связи, когда выполняется условие
F > > C=R,
где R - скорость передачи информации (бит, с), при h2 ≥ ln2 = 0,693 (-1,6 дБ) может быть обеспечена сколь угодно
малая вероятность ошибки приема символа. Это значение для отношения сигнал/шум соответствует пределу Шеннона
для каналов связи с бесконечной полосой частот. В то же время для достаточно узкополосных каналов, когда R >
(1...10) F, наблюдается значительный рост отношения сигнал/ шум, требуемого для обеспечения достоверной передачи.
Однако предельные значения, соответствующие безошибочной передаче символов, предполагают бесконечно
большое время анализа и наличие бесконечно большого ансамбля ортогональных сигналов, что для реальных
частотно ограниченных каналов связи невыполнимо. Поэтому сравнение с пределом Шеннона оправдано только
для относительной оценки эффективности выбранных сигналов, методов их формирования и обработки.
Следовательно, эффективность существующих методов передачи может быть определена степенью приближения
к теоретическому пределу.
Приближение к пределу Шеннона возможно за счет перехода от двоичной передачи символов к
многопозиционной передаче кодовых слов с соответствующим расширением полосы частот и увеличением
времени обработки сигналов, что реализуется, например, в результате использования многопозиционного
ансамбля ортогональных составных сигналов или применения кодирования.
В спутниковых системах связи используются, как правило, алгоритмы, позволяющие при относительно
небольшой избыточности, приводящей к расширению полосы частот не более чем в 2 раза, приемлемой
реализационной сложности и допустимых временных задержках получить максимальные выигрыши
в помехоустойчивости. Применение кодирования совместно с использованием эффективных радиосигналов с
компактной спектральной плотностью средней мощности в наилучшей степени удовлетворяет этим требованиям [З].
Спектральные характеристики радиосигналов
При выборе радиосигналов помимо показателей их помехоустойчивости большое внимание уделяется
спектральной плотности средней мощности - распределению средней мощности сигналов в частотной области. Для
случая передачи независимых равновероятных символов спектральные характеристики определяются
формой радиосигнала. При наличии корреляционных связей между символами возможно искажение и
искривление спектра, а при передаче не равновероятных символов - появление дискретных составляющих.
Для устранения корреляционных связей в информационной последовательности используются скремблеры.
Очевидно, чем компактнее спектр радиосигналов, тем экономнее используется совместный частотный ресурс. Наличие
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (3 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
же большого уровня внеполосного излучения приводит к необходимости заметного увеличения защитных
частотных интервалов между соседними частотными каналами. У классических фазоманипулированных радиосигналов
с постоянной огибающей имеются ярко выраженные боковые лепестки спектральной плотности мощности.
Скорость убывания огибающей боковых лепестков спектра радиосигналов с ФМ-2, ФМ-4, офсетной ФМ-4, а также с ФМ8 и КАМ-16 пропорциональна величине 1 / ∆f -2, а сигналов с ММС - величине величине 1/ ∆f -4 где ∆f частотная отстройка относительно несущей частоты (Гц). Максимальный уровень первого бокового лепестка
спектра мощности относительно уровня на несущей частоте составляет -13 и -23 дБ при ∆f / R = 3 / (2m) и
1 соответственно. Здесь ∆f / R - это нормированная к информационной скорости R (бит/с) частотная отстройка; m
- количество бит, передаваемых одной посылкой радиосигнала, причем 2m = N; N - позиционность радиосигналов
(в частности, N = 2, m = 1 при ФМ-2; N = 4, m = 2 при ФМ-4 и офсетной ФМ-4; N = 8, m = 3 при ФМ-8, m = 4 при
КАМ-16).
При одинаковой информационной скорости передачи спектральная плотность мощности сигналов с ФМ-2 в два раза
шире, чем у сигналов с ФМ-4 и офсетной ФМ-4, а ширина основного лепестка спектра мощности сигналов с ММС в
1,5 раза больше, чем у сигналов с ФМ-4 и офсетной ФМ-4. Соответственно при тех же условиях спектр мощности
сигналов с ФМ-8 в 1,5 раза уже, а сигналов с КАМ-16 - в два раза уже, чем при ФМ-4.
Очевидно, что, если не принимать дополнительных мер, рассмотренные классические фазоманипулированные
сигналы требуют достаточно больших защитных частотных интервалов.
Занимаемая полоса частот радиосигналов определяется различными критериями. В частности, в соответствии с одним
из таких критериев [1] определяют полосу частот, в которой сосредоточено не менее 99% энергии сигнала. Однако,
как правило, на практике в спутниковых системах связи занимаемая радиосигналом полоса частот
определяет допустимый разнос между двумя соседними частотно уплотненными каналами, при котором не
происходит заметного ухудшения качества связи с учетом возможных амплитудных и частотных изменений.
Радиосигналы со сглаживанием
Таким образом, 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 [4-6].
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 [4-6] регламентируют процедуры формирования и обработки сигналов. На передающей
стороне видеоимпульсы прямоугольной формы в квадратурах подвергают предыскажениям в частотно
избирательном тракте, 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
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (4 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
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 ФМ8 идентичны и нормируются к величине R, m, т.е. 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.
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 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 Рош = 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
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (5 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
зависимость вероятности ошибки от отношения 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 Рош = 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 Рош = 10 -6 получить дополнительный выигрыш
в помехоустойчивости 2,5 дБ (и более в случае улучшения канала связи).
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 [7].
Достоинством турбо-кодов является возможность обеспечивать высокие характеристики помехоустойчивости
при умеренной сложности оборудования. Турбо-коды подразделяются на сверточные (Turbo 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
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (6 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
порядка Рош = 10 -6. При Рош = 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 коррелированное веса
выходной кодированной 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 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).
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (7 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
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 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.
Оценка эффективности радиосигналов
Для оценки эффективности различных типов сигналов и методов кодирования можно провести
сопоставление компактности их спектральных характеристик и показателей помехоустойчивости. В табл. 1
приведены совокупные данные (полученные, в частности, из материалов Comtech EF Data) для основных
типов радиосигналов, используемых в открытых спутниковых системах связи. При этом результирующая
скорость кодирования равна отношению двоичных информационных символов к общему числу символов в
выходной кодированной двоичной последовательности, то есть величине, обратной числу увеличения двоичных
символов в результате кодирования. В случае использования составных кодов результирующая скорость кодирования
ro (FEC) равна произведению парциальных скоростей кодов.
Таблица 1. Сравнительные показатели эффективности радиосигналов и методов кодирования в
спутниковых системах связи
Тип сигнала
Результирующая
скорость
Рoш =10-4 Рoш=10-5 Рoш=10-6 Рoш=10-7 Рoш=10- кодирова8
ния
(ro)
Требуемое отношение сигнал/шум 10 Ig(h2)
для обеспечения гарантированной
вероятности ошибки Рoш, дБ
Сим- Спек- Заниволь- траль- маеная
ная
мая
ско- эффек- порость
тивлоса
(S),
ность
часбит/с (Э),
тот
(бит/ (W),
с)/ Гц
Гц
Поро- 10 lg(h2ш), дБ
Проигрыш по
говое
отношению к
знапределу Шеннона
чение
при Рoш = 10-6
h2ш
, Dh=10 lg(h2 / h2ш)
, дБ
ФМ-2 (теория)
8,4
9,6
10,6
11,3
12,0
1
R
1
1,40 R
1
0
10,6
ФМ-2, Turbo,
r = 21/44
(Comtech EF
Data)
2,5
2.7
2,9
3,1
3,3
0,48
2,1 R
0,48
2,94 R
0,82
-0,85
3,7
ФМ-2, Turbo,
r = 5/16
(Comtech EF
Data)
2,0
2,2
2,4
2,6
2,7
0,31
3,2 R
0,31
4,48 R
0,77
-1,12
3,5
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (8 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
ФМ-4 (теория)
8,4
9,6
10,6
11,3
12,0
1
0,5 R
2
0,70 R
1,5
1,76
8,8
ФМ-4, Витерби,
r = 1/2
4,7
5,4
6,1
6,7
7,2
0,50
R
1,0
1,40 R
1
0
6,1
ФМ-4, Витерби,
r = 3/4
6,1
6,8
7,6
8,3
8,8
0,75 0,67 R
1,5
0,94 R
1,22
0,86
6,7
ФМ-4, Витерби,
r = 7/8
7,2
8,0
8,7
9,4
10,3
0,875 0,57 R
1,75
0,80 R
1,35
1,31
7,4
ФМ-4, Витерби,
r = 1/2,
RS(219, 201, 9)
-
-
4,1
4,2
4,4
0,46 1,09 R
0,92
1,53 R
0,97
-0,13
4,2
ФМ-4, Витерби,
r = 3/4,
RS(219, 201, 9)
-
-
5,6
5,8
6,0
0,69 0,72 R
1,38
1,01 R
1,16
0,65
4,9
ФМ-4, Turbo,
r = 1/2
(Comtech EF
Data)
-
2,8
2,9
3,1
3,2
0,48 1,05 R
0,96
1,47 R
0,99
-0,07
3,0
ФМ-4, Turbo,
r = 3/4
(Comtech EF
Data)
3,5
3,6
3,8
4,1
4,4
0,75 0,67 R
1,5
0,94 R
1,22
0,86
2,9
ФМ-4, Turbo,
r = 7/8
(Comtech EF
Data)
4,1
4,2
4,3
4,4
4,5
0,875 0,57 R
1,75
0,80 R
1,35
1,31
3,0
ФМ-4, Turbo,
r = 0,95
(Comtech EF
Data)
5,9
6,2
6,4
6,7
6,9
0,95 0,53 R
1,90
0,74 R
1,44
1,58
4.8
11,8
13,0
14,0
14,7
15,4
1
0,33 R
3
0,46 R
2,33
3,68
10,3
ФМ-8, ТСМ,
r =2/3
7,0
7,8
8,7
9,5
10,2
0,67
0,5 R
2,0
0,70 R
1,5
1,76
6,9
ФМ-8, ТСМ,
r = 2/3,
RS RS(219,
201, 9)
5,5
5,8
6,2
6,5
6,7
0,61 0,55 R
1,83
0,77 R
1,40
1,45
4,7
ФМ-8, Turbo,
r = 3/4
(Comtech EF
Data)
5,7
5,9
6,2
6,4
6,8
0,75 0,44 R
2,25
0,62 R
1,67
2,23
4,0
ФМ-8, Turbo
r = 7/8
(Comtech EF
Data)
6,8
6,9
7,0
7,1
7,2
0,875 0,38 R
2,62
0,53 R
1,97
2,93
4,1
ФМ-8 (теория)
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (9 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
ФМ-8, Turbo,
r = 0,95
(Comtech EF
Data)
8,8
9,1
9,3
9,8
10,3
12,4
13,6
14,6
5,3
16.0
KAM-16,
Витерби,
r = 3/4
9,1
10,0
10,8
11,7
12,6
KAM-16
Витерби,
r = 7/8
10,4
11,2
12,0
12,8
13,6
KAM-16,
Витерби,
r = 3/4,
RS(219, 201, 9)
7,9
8,1
8,4
8,6
8,8
KAM-16,
Витерби,
r = 7/8,
RS(219,201, 9)
9,3
9,6
9,8
10,0
KAM-16, Turbo,
r = 3/4
(Comtech EF
Data)
6,8
7,1
7,4
KAM-16, Turbo,
r = 7/8
(Comtech EF
Data)
7,8
7,9
8,1
KAM-16 (теория)
0,95 0,35 R
2,85
0,49 R
2,18
3,38
5,9
4
0,35 R
3,75
5,74
8,9
0,75 0,33 R
3,0
0,46 R
2,33
3,68
7,1
0,875 0,29 R
3,5
0,41 R
2,95
4,69
7,3
0,36R
2,75
0,50 R
2,08
3,19
5,2
10,3
0,80 0,31 R
3,21
0,43 R
2,57
4,10
5,7
7,8
8,2
0,75 0,33 R
3,0
0,46 R
2,33
3,68
3,7
8,2
8,3
0,875 0,29 R
3,5
0,41 R
2,95
4,69
3,4
1
0,69
0,25 R
Символьная скорость S определяет скорость передачи радиоимпульсов в канале с учетом кодирования и может
быть определена из соотношения S = R/r„m), бит/с, где, как и ранее, R - информационная скорость (бит /с); m
- количество бит, передаваемых одной посылкой радиосигнала.
Спектральная эффективность радиосигналов Э определяется величиной относительного изменения полосы
частот сформированного радиосигнала, то есть отношением занимаемой полосы частот кодированного радиосигнала
к полосе частот, занимаемой информационной последовательностью в случае передачи ее методом ФМ-2:
Э=R/S=rоni.
Занимаемая радиосигналом полоса частот, как уже отмечалось ранее, определяется различными источниками поразному. Intelsat определяет занимаемую полосу как
W = kxS,
где k = 1,4 - коэффициент расширения полосы до уровня, при котором рядом расположенные радиосигналы в
общем стволе ретранслятора практически не оказывают мешающего влияния друг на друга.
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (10 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
Производители модемов в расчетных материалах нередко устанавливают меньшие значения для k, a Comtech EF
Data предлагает установить k = 1,19 -при такой отстройке спектральная плотность мощности радиосигнала спадает на
10 дБ. Очевидно, что разные критерии могут существенным образом повлиять на величину занимаемой полосы
частот. Поэтому в соответствии с требованиями Intelsat в настоящих оценках полагалось, что k - 1,4. Хотя
практически занимаемая полоса частот зависит от помехоустойчивости радиосигналов: при ФМ-2 значение k может
быть несколько меньше, а при ФМ-8 и КАМ-16 - больше.
Сравнительные показатели помехоустойчивости и спектральной эффективности наиболее распространенных
в спутниковых системах связи радиосигналов и методов кодирования, а также сигналов с турбокодированием, пропагандируемых Comtech EF Data, представлены в табл. 1. Необходимо отметить
некоторую противоречивость представленных компанией данных по помехоустойчивости сигналов с ФМ-8 и КАМ-16
и турбо-кодированием со скоростями 3/4 и 7/8, что связано, возможно, с уточнением спецификации на эти типы
сигналов. В таблице для каждого типа радиосигналов приведены предельные значения Шеннона для отношения
сигнал /шум h^m применительно к случаю, когда пропускная способность канала связи равна информационной
скорости С = R, а полоса частот равна скорости передачи радиоимпульсов F = S:
h2ш = (2С/F - 1)/(C/F) = (2э - 1)/ Э.
Следовательно, эффективность сигналов, используемых в спутниковых системах связи, может быть оценена по
степени приближения требуемого отношения сигнал/шум h2 к предельному значению h2ш. Следует отметить, что
предел Шеннона определяет безошибочную передачу информации. Так как на практике выполнить это
условие невозможно, при расчетах принята достоверность связи в канале Рош = lO-6, что характерно для
фиксированных спутниковых систем [8]. Тогда степень приближения к пределу Шеннона может быть
оценена выражением:
∆h = 10 lg(h2[Pош = lO-6/h2ш), дБ.
Очевидно, что если в качестве критерия выбрано более высокое качество канала, то оценка степени приближения
к границе Шеннона ДЬ будет увеличиваться.
Как следует из данных, приведенных в табл. 1, имеется довольно большое разнообразие типов
сигналов, предназначенных для работы в открытых спутниковых системах связи. Некоторые из этих сигналов, в
первую очередь использующие турбо-кодирование, в настоящее время не регламентируются документами
Intelsat. Однако поддерживающие их модемы выпускаются рядом производителей, и, следовательно, данные
методы сигналообразования уже сейчас могут быть реализованы, например, в ведомственных системах
связи. Проведенный анализ показывает, что наибольшей эффективностью обладают сигналы с турбо-кодированием.
В этом им уступают сигналы со сверточным кодированием и кодом Рида-Соломона.
Во многих случаях использование кодов приводит к увеличению времени, затрачиваемого на кодирование
и декодирование информации, что совместно со временем на распространение сигнала до ретранслятора и обратно
может привести к заметным задержкам. Сравнительная оценка суммарной задержки, появляющейся из-за кодирования
и декодирования сигналов, для скорости передачи информации 64 кбит/с представлена в табл. 2 и основывается
на материалах Соmtech EF Data. В нервом приближении значения задержек обратно пропорциональны скорости
передачи информации, например, при R = 128 кбит/с задержки будут в два раза меньше. Как следует из
приведенных данных, при использовании турбо-кодов со скоростями 3/4 и 0,95 дополнительная задержка
относительно невысока, а для кода 7/8 задержка достаточно высока из-за применения блоков большой длины.
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (11 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
Таблица 2. Сравнительные значения суммарной задержки на кодирование и декодирование сигналов
при информационной скорости 64 кБит/с (источник: Comtech EF Data)
Параметры кодирования и декодирования
Величина суммарной задержки, мс
ФМ-2, ФМ-4, Витерби, г = 1/2
12
ФМ-2, ФМ-4, последовательное, г = 1/2
74
ФМ-2, ФМ-4, Витерби, г = 1/2, код Рида-Соломона (глубина перемежения = 4)
266
ФМ-2, ФМ-4, последовательное, г = 1/2, код Рида-Соломона (глубина перемежения = 8)
522
ФМ-4, ФМ-8, КАМ-16, Turbo, г = 3/4
48
ФМ-4, ФМ-8, Turbo, r =0,95
69
ФМ-4, ФМ-8, КАМ-16, Turbo, r = 7/8
245
ФМ-2. Turbo, r =21/44
42
ФМ-2, Turbo, r =5/16
70
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-Carrierтм. 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.
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 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
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (12 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
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 Carrierin-Carrierтм. Однако применение рассмотренного способа должно быть предварительно строго
проанализировано, поскольку этот способ приемлем для решения не всех задач.
Основные производители спутниковых модемов
На рынке спутникового оборудования представлена довольно широкая номенклатура модемов
радиосигналов, поддерживающих современные тенденции в развитии спутниковых технологий. При этом
наблюдается эволюционный метод совершенствования оборудования, когда в ранее разработанные модели
модемов, присутствующие на рынке не один год, добавляются новые функциональные возможности, в том числе
по скорости передачи, методам модуляции, кодирования и т.д. Поэтому принципиально новые модели
модемов появляются на рынке относительно нечасто.
Ведущие мировые производители высококачественного спутникового оборудования оперативно модернизируют
модемы, обеспечивая новые технические возможности, в частности, имеется достаточно широкий круг
устройств, поддерживающих турбо-кодирование.
Краткая сводка данных по крупнейшим зарубежным и ряду отечественных производителей спутниковых
модемов приведена в табл. 3.
Таблица 3. Спутниковые модемы ведущих зарубежных и отечественных производителей (краткие данные)
Производитель
Модемы
Название
Краткая характеристика
Comtech EF Data
CDM-600, CDM-550, SDM-300
Турбо-кодек в качестве опции
Paradise Datacom
P300
Имеют в составе турбо-кодеки
P400
Исполнены в соответствии с требованиями Intelsat без турбо-кодеков
Datum Systems
PSM-4900
Содержат турбо-кодеки
Radyne ComStream
CM601A, DMD2401, DMD15, DMD20
Имеют турбо-кодеки
ЛОНИИР
M-2500, M-64
Нет данных о наличии турбо-кодеков
Этра-плюс
СЦМ5
Модель СЦМ5-К2 поддерживает турбо-кодирование
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (13 из 14) [30.11.2010 11:55:59]
ВИСАТ-Тел. Интерактивные системы и сети удаленного спутникового доступа
http://vsat-tel.ru/articles/art_43.htm (14 из 14) [30.11.2010 11:55:59]