PERSPECTIVE DIRECTIONS OF RADIO COMMUNICATION DEVELOPMENT

Full Text

В текущий момент, благодаря быстрому совершенствованию вычислительной техники, появляется множество возможностей развития ряда направлений в области радиосвязи [1]. Большие вычислительные ресурсы позволяют выполнять потоковую обработку сигнала с помощью громоздких, ресурсозатратных алгоритмов, позволяющих повысить эффективность восстановления и синхронизации сигнала, а также выполнять системы, способные реагировать на большое количество факторов, влияющих на качество связи [2]. Таким образом, на данный момент существует актуальность поиска и использования новых методов по направлению установления радиосвязи. Так, например, представляет интерес реализация универсального алгоритма, способного работать с большим количеством видов модуляций. Подобный алгоритм позволил бы приобрести дополнительные возможности в сфере радиодоступа. Помимо этого, имеет важность реализация алгоритмов передачи в исполнении, способном работать с использованием аппаратной части, реализованной на основе новых технологий.

 

Реализация алгоритма приём-передачи с использованием вида манипуляции 16-PSK

В рамках первого проекта были выполнены алгоритмы приём-передачи для видов модуляций 16-QAM, 16-PSK [3; 4]. Алгоритмы обработки сигнала созданы с помощью средства GNURadio [5] а также среды Python [6]. В качестве аппаратной части использовались SDR модули RTL SDR [7] и HackRF One [8], а также одноплатный компьютер RaspberryPi 4 [9]. В общем виде алгоритм приём-передачи состоит из кодирующего модуля и модулирующего модуля на передающей стороне, а также модулей демодуляции, синхронизации и декодирования на приёмной стороне. Схема алгоритма на передающей стороне для 16-PSK приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема алгоритма на передающей стороне для модуляции 16-PSK

 

Согласно схеме, алгоритм производит чтение передаваемых байт информации из файла, после выполняет над ними операцию пакетирования. Эта операция состоит в добавлении к исходной последовательности бит преамбулы, заголовка пакета, циклического избыточного кода. После над набором полученных бит и некоторой заданной последовательности проводится операция исключающее или [10]. Следующим стоит Блок Constellation Modulator, который проводит ряд операций.  Первым этапом производится кодирование набора бит в сигнал, имеющий созвездие, соответствующее манипуляции 16-PSK. Следующим этапом производится дополнение исходной последовательности нулевыми значениями. В текущей реализации после каждого символа добавляется 79 нулевых значений. Полученный комплексный сигнал можно увидеть на рисунке 2.

 

Рис. 2. Сигнал после увеличения частоты дискретизации, за счёт добавления нулевых отсчётов

 

Сигнал, показанный на рисунке 2 имеет слишком широкий спектр, по сравнению с полосой пропускания передающий системы. Для сужения спектра, сигнал подвергается фильтрации. Подбором ширины полосы пропускания фильтра может быть получен сигнал с нужной шириной спектра. С одной стороны стоит задача максимально уменьшить ширину спектральной полосы, занимаемой сигналом, с другой, получить сигнал, который можно будет в дальнейшем восстановить к исходной форме.  Сигналы на выходе фильтра при различной ширине полосы, показаны на рисунке 3. Их спектры показаны на рисунке 4. Из графиков можно видеть, каким образом изменяется точность отображения, заключенной в сигнал, информационной составляющей при подавлении верхних частот. На рисунке 3, в) можно видеть всплески, соответствующие символам. Между каждым из символов существует переход в ноль, что расширяет спектр без выигрыша в качестве передачи. В реализации, показанной на рисунке 3, б) указанный недочёт отсутствует, поэтому полученный сигнал является приемлемым для передачи, с помощью него, данных. Однако в дальнейшем будет показано, что из сигнала, изображённого на рисунке 3, а), с помощью алгоритмов синхронизации, также может быть восстановлена информационная составляющая. Так как этот сигнал имеет наиболее узкий спектр, при этом информационная составляющая может быть восстановлена с достаточной точностью, полоса пропускания фильтра была выбрана равной 35 кГц.

Следующий блок osmocom Sink производит передачу отсчётов в SDR модуль. Сигналы на рисунке 3 фактически являются комплексными огибающими искомого фазоманипулированного сигнала. В SDR модуле происходит окончательный этап модуляции. Квадратурные составляющие преобразуются в аналоговую форму, далее происходит умножение первой квадратурной составляющий на синусоидальный сигнал, второй на косинусоидальный. Следующим этапом происходит их фильтрация и сложение [11]. На выходе системы образуется искомый высокочастотный фазоманипулированный сигнал. Этот сигнал излучается в эфир.

На приёмной стороне радиомодуль выполняет разделение сигнала на ортогональные составляющие принятого сигнала, перенос их в область низких частот, фильтрацию, оцифровку и передачу на вычислительный модуль. Схема алгоритма на приёмной стороне показана на рисунке 5.

 

Рис. 3. Сигналы в комплексном виде на выходе модулятора созвездий при различной ширине полосы пропускания фильтра: а) 35 кГц; б) 56 кГц в) 76 кГц

Рис. 4. Спектры сигналов, показанных на рисунке 3

 

Рис. 5. Схема алгоритма на приёмной стороне, выполненного в GNURadio

 

Первый блок RTL-SDR Source производит получение последовательности отсчётов из радиомодуля. В используемом SDR модуле наблюдается просачивание гетеродина в приёмный канал. Просочившаяся составляющая суммируется с исходным сигналом и вместе с ним смещается в область низких частот. Из-за этой особенности в полученном сигнале присутствует паразитная гармоническая составляющая. Для устранения влияния паразитной составляющей радиомодуль настраивается не на частоту полезного сигнала, а на 30 Кгц левее, тогда полезный сигнал будет смещён вправо на эту частоту, относительно паразитной гармоники. Из схемы на рисунке 5 можно видеть, что производится сдвиг полученного сигнала по частоте, на 30 кГц влево. Следующий блок является цифровым фильтром, который подавляет паразитную гармонику, один из сигналов с комбинационной частотой, а также шумы, находящиеся вне полосы полезного сигнала. После идёт блок Power Squelch, который выполняет подавление паразитной амплитудной модуляции. Следом можно увидеть блок FLL Band-Edge, который осуществляет, грубою подстройку по частоте, а также фильтрацию сигнала, с помощью фильтра с регулируемой шириной полосы, подстраивающуюся под полосу сигнала. Блок Feed Forward AGG осуществляет масштабирование сигнала по амплитуде. Блок Polyphase Clock Sync осуществляет прореживание до символьной скорости с синхронизацией по времени для устранения межсимвольных ошибок. После сигнал масштабируется и поступает на цикл Костаса [12]. Как правило, цикл Костаса не используется для синхронизации PSK порядка выше восьми, однако эксперимент показал, что при передаче по радиоканалу, цикл Костаса позволяет выполнить точную частотную синхронизацию, в случае если до этого была проведена грубая синхронизация, максимально уменьшающая частотное отклонение. После идут два алгоритма эквалайзирования, которые осуществляют слепое выравнивание созвездия. Можно видеть созвездия в ключевых узлах алгоритма при симуляции на рисунке 6 и при передаче по радиоканалу на рисунке 7.

 

Рис. 6. Созвездия сигналов: a) После цифрового фильтра; б) После грубой подстройки по частоте; в) После прореживания и синхронизации по времени г) после синхронизации по частоте и эквалайзирования

 

Рис. 7. Созвездия сигналов: a) После цифрового фильтра; б) После грубой подстройки по частоте; в) После прореживания и синхронизации по времени г) после синхронизации по частоте и эквалайзирования

 

На рисунке 8 приведено сравнение созвездий сигнала до точной синхронизации по частоте с помощью цикла Костаса и после. Исходя из созвездий можно сделать вывод о целесообразности его применения.

 

Рис. 8. Созвездия сигналов при работе в симуляции: а) До точной синхронизации; б) После точной частотной синхронизации. При использовании радиоканала: а) До точной синхронизации; б) После точной частотной синхронизации

 

После вышеуказанных операций требуется осуществить извлечение из синхронизированного сигнала последовательность информационных бит. Эту операцию производит блок Constellation Receiver. После идут блоки, выполняющие дифференциальное декодирование, производящие сопоставление входящих байт с заданными при модулировании значениями. Далее происходит распаковка полученной последовательности четырёх-битовых значений в отдельные биты. Блок Packet Decoder выполняет битовую синхронизацию с помощью преамбулы, после производит операцию обратную пакетированию. Полученная последовательность байт поступает по UDP соединению, на python скрипт, выполняющий перевод байтов в символы по таблице ASCII и печать их в терминал [10].

 

Реализация алгоритма приём-передачи с использованием манипуляции 16-PSK

Схема алгоритма на передающей стороне отличается от предыдущего случая лишь созвездием, согласно которому происходит модуляция битовой последовательности. Схему алгоритма на приёмной стороне можно видеть на рисунке 9.

 

Рис. 9. Схема алгоритма, выполняющего синхронизацию, демодулирование и декодирование сигнала с манипуляцией 16-QAM

 

По сравнению с предыдущим случаем, в схеме, не используется ряд блоков. Теперь в декодируемом сигнале присутствует амплитудная модуляция, следовательно, алгоритм устранения паразитной амплитудной использоваться в системе не может. Также отсутствуют блоки эквалайзирования. Используемые эквалайзеры применяются для сигналов, модуль которых постоянен, значит, они не могут быть использованы при текущей реализации. Кроме того, были изменены некоторые коэффициенты. Цикл Костаса показал свою эффективность и в этом случае. Созвездия в ключевых узлах системы изображены на рисунке 10 при работе в симуляции и рисунке 11 при передаче по радиоканалу. Из рисунков 10, в) и 11, в) можно видеть, что цикл Костаса позволяет получить, в конечном счёте, сигнал, из которого может быть извлечена информационная составляющая.

 

Рис. 10. Созвездия сигнала: а) После фильтрации; б) После прореживания и синхронизации по времени; в) После точной частотной синхронизации

Рис. 11. Созвездия сигнала: а) После фильтрации; б) После прореживания и синхронизации по времени; в) После точной частотной синхронизации

 

Реализация универсального алгоритма восстановления сигнала

На основании разработанных систем, был предложен универсальный алгоритм восстановления сигналов работающий с видами манипуляций BPSK, QPSK, 8-PSK, 16-PSK, 32-PSK, 64-PSK, 128-PSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM [13]. Схему алгоритма, выполненного в GNURadio можно видеть на рисунке 12.

Рис. 12. Схема универсального алгоритма синхронизации

 

Необходимо также привести выражение для задания фильтра в блоке polyphase Clock Sync:

rrc_taps = firdes.root_raised_cosine(n*1.5, n, 1.0/float(sps_rx), 0.35, 45*n),

где n = 32 – размер фильтра; sps_rx = 80 – отношение количество символов в секунду к количеству отсчётов в секунду на передающей стороне.

На рисунке 13 показаны созвездия восстановленных сигналов с вышеперечисленными видами манипуляции.

Рисунок 13 – Созвездия восстановленных сигналов с вышеперечисленными видами манипуляции

Можно видеть, что созвездия сигнала с манипуляциями 64 PSK, 128-PSK и 256-QAM не обладают качеством, достаточным для дальнейшего безошибочного извлечения информации. Из этого следует вывод, что при работе с указанными видами модуляций однозначно требуется дополнить алгоритм, согласованными с сигналами, модулями синхронизации. Кроме того, при передаче по радиоканалу, часть созвездий может быть разрушена, как следствие, в зависимости от выбранной аппаратной части, может потребоваться добавить дополнительные фильтры и восстанавливающие алгоритмы.

 

 

Выводы

Исходя из полученных результатов, можно сделать выводы о возможности использования применяемого в работе подхода, для выполнения систем радиосвязи. Однако в ходе работы был выявлен ряд недостатков реализованной системы. В используемой аппаратной части присутствует высокий уровень рассогласования по частоте и по скорости дискретизации, высокий уровень собственных шумов. Также имеется сильное влияние внеполосных помех на полезный сигнал из-за слабой избирательности аппаратного фильтра и присутствия в модуле чувствительной системы автоматической регулировки усиления. Вышеуказанные особенности сильно влияют на работу алгоритмов восстановления сигналов. Особенно чувствителен к помехам алгоритм точной синхронизации по частоте. Шумовые воздействия оказывают влияние на сигнал ошибки, в результате цикл настраивается на ложную частоту, наблюдаются кратковременные, но частые рассогласования, в результате которого полученные созвездия оказываются разрушенными. Помехоустойчивость цикла Костаса может быть повышена с помощью увеличения количества выборок, на основании которых вырабатывается сигнал ошибки. С увеличением количества выборок, уменьшается быстродействие алгоритма. Для сигналов с количеством точек созвездия 16 и выше, быстродействие алгоритма сильно влияет на качество созвездий. Описанная проблема может быть решена аппаратными методами с помощью увеличения избирательности аналогового фильтра, а также использования более стабильного генератора. Но также есть интерес в разработке и применению программных методов помехоустойчивой синхронизации для модуляций высокого порядка.

About the authors

Artem Shipula

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Email: shipulaartiom@gmail.com

Студент, четвёртого курса, гр.6461-110501D, институт информатики и кибернетики. Лаборант-исследователь, НИЛ-102

Russian Federation

Dmity Serggevich Elufimov

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Author for correspondence.
Email: dmitrii_elufimov@mail.ru

преподаватель военного учебного центра имени Героя Советского Союза генерала Губанова Г.П

Russian Federation, ул. Московское шоссе, д. 34, г. Самара, 443086

References

Supplementary files