РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 2, c. 41–46
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ,
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ
УДК 621.398
Передача телеметрической информации
сприменением принципа мультиплексирования
ортогональных несущих частот и помехоустойчивого
кодирования в условиях ракетного радиоканала
А.П.Мороз1, Д.Ю.Поленов2
1д. т. н., 2аспирант
ОАО «НПО ИТ», г. Королев
e-mail: 1apmoroz@mail.ru, 2polenoff.mitya@yandex.ru
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы передачи телеметрической информации с изделий ракетной техники
с применением принципа мультиплексирования ортогональных несущих частот, а также помехоустойчивого
и восстанавливающего кодирования. Рассматриваются два простейших метода: код с проверкой на четность и код
Хэмминга. Сравниваются системы радиопередачи информации без использования и с использованием кодирования
по показателю вероятности появления битовой ошибки. Приводится модель тракта приема, кодирования
и передачи информации для применения в данном методе радиопередачи и кодирования.
Ключевые слова: телеметрическая информация, передача телеметрической информации, методы кодирования
информации, вероятность появления символьной ошибки, радиоканал
Transmission Telemetry Information with Using
the Principle of the Multiplexing Orthogonal
Carryinging Frequencies and Antinoise Coding
in Condition of the Missile Radio Link
A.P.Moroz1,D.Yu.Polenov2
1doctor of engineering science, 2graduate student
OAO«NPOIT»
e-mail: 1apmoroz@mail.ru, 2polenoff.mitya@yandex.ru
Abstract. In article are considered questions of the transmission telemetry information with product of the missile
technology with using the principle of the multiplexing ортогональных carryinging frequencies, as well as antinoise
and restoring coding. They Are Considered two the most simplest methods: code with checking for parity and code
Hemming. They Are Compared systems of the radio broadcast to information without use and with use the coding
on factor of probability of the appearance of the bit error. Happens to the model of the tract of the acceptance, coding
andtransmissions toinformation forusing in givenmethodofthe radiobroadcast andcoding.
Key words: telemetry information, the issue to telemetry information, the methods of the coding to information,
probability of the appearance of the symbol error, the radio link
Стр.1
42
А. П.МОРОЗ, Д.Ю.ПОЛЕНОВ
Введение
Передача информации по радиоканалу осуществляется
с помощью модулированных колебаний
несущей частоты. В статье рассматриваются
вопросы передачи телеметрической информации
(ТМИ) с изделий ракетной техники (РТ) с применением
принципа мультиплексирования ортогональных
несущих частот [1]. Его суть заключается
в разбиении символов цифрового кода измерительной
информации на блоки и передаче каждого блока
на своей несущей частоте. В результате получается
параллельная передача символов [2, c. 307], что показано
на рис. 1. Чем больше несущих используется
при передаче, тем дольше длительность символа,
передающегося соответствующей ему несущей.
Однако если при радиопередаче ограничиться
использованием лишь рассматриваемого принципа
мультиплексирования, то полученный информационный
код может иметь вероятность искажения
символа (Pu) выше допустимой. Для снижения Pu
предлагается применить помехоустойчивое и восстанавливающее
кодирование [3].
Методы кодирования
Существует большое количество методов кодирования,
восстановления потерянной/искаженной
информации. Рассмотрим два простейших метода:
код с проверкой на четность (ПЧ) и код Хэмминга
(КХ). Проведем их сравнение применительно
к рассматриваемой задаче передачи ТМИ.
Первый метод. При кодировании с помощью
ПЧ в информационный блок добавляется один разряд,
значение которого равно сумме всех проверяемых
символов по модулю 2.
Для примера рассмотрим случай, когда одной
несущей передается пять разрядов информационного
блока и один разряд — проверочный, как показано
на рис. 2.
В блок из пяти разрядов информационного коРис.
1. Пример разложения цифрового сигнала
С увеличением длительности времени передачи
каждого символа повышается устойчивость
к воздействию искажений информационного сигнала,
возникающих в результате многолучевого распространения
радиоволн [2, c. 307], характерного
для ракетного радиоканала.
В качестве методов модуляции в случае применения
описанного принципа радиопередачи можно
использовать 16, 64 (и более) позиционную
квадратурную амплитудную модуляцию (КАМ) [3,
с. 257]. Этот метод модуляции, по сравнению с частотной
модуляцией (ЧМ), позволяет сузить полосу
частот [1].
да (рис. 2, а) добавляется проверочный разряд —
выделенный символ (рис. 2, б). После чего получившийся
шестиразрядный кодированный блок
(1-й блок) передается модулированной КАМ-64
несущей (рис. 2, в). Действия со следующим пятиразрядным
информационным блоком повторяются,
информация «ложится» на следующую несущую
(рис. 2, г, 2-й блок) и так далее. После передачи
информации по последней (в нашем примере
четвертой) несущей время передачи первого кодированного
блока информации на первой несущей
заканчивается, информация на ней меняется и начинает
отправляться 5-й блок (рис. 2, в).
Действительно, результаты анализа графиков
Uнес1, Uнес2, Uнес3, Uнес4 рис. 2 свидетельствуют об
увеличении длительности передачи одного символа.
В рассматриваемом примере длительность передачи
одного символа увеличивается в 20 раз по
сравнению с его первоначальным значением:
tпч = 20tсик,(1)
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.2
ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
43
Рис. 2. Временные диаграммы передачи информационных блоков
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.3
44
А. П.МОРОЗ, Д.Ю.ПОЛЕНОВ
где tпч — длительность передачи символа кодированного
блока методом ПЧ;
tсик — длительность символа информационного
блока.
Второй метод. При кодировании информационного
блока с помощью КХ (рис. 2) количество
символов n в каждом кодированном блоке зависит
от числа символов информационного блока nи идополнительных
символов кодирования nк [4]:
n = nи +nк.
(2)
Закодируем с помощью КХ 18 информационных
разрядов (nи = 18). С учетом того, что для
применения КХ необходимо, чтобы nк = 5, из выражения
(2) следует:
n = nи +nк = 18+5 = 23.
(3)
Так как на каждой несущей возможно передавать
шесть разрядов, к полученным 23 разрядам
кодированного блока добавим 24-й разряд (ноль):
n = n+1 = 24.
(4)
Разделим кодированный блок на четыре части
(по шесть разрядов, рис. 2, з)ипередадим ихчетырьмя
несущими (рис. 2,и–2,м).
Результат передачи показан на рисунках.
Время длительности передачи одного символа
tкх увеличивается в 18 раз:
t
= 18t
.
(5)
Таким образом, при радиопередаче ТМИ с изделия
РТ (в предложенных условиях) длительность
передачи одного символа при использовании
первого метода кодирования на 10% больше. Однако
во втором методе кодирования, как известно,
имеется возможность восстановления одного символа
информационной посылки.
Сравним системы радиопередачи информации
без использования и с использованием кодирования
по показателю вероятности появления битовой
ошибки. Для этого произведем расчет зависимостей
показателя вероятности битовой ошибки от
отношения сигнал/шум для предложенного варианта
радиопередачи.
Pu = Q
Исходные данные:
– скорость передачиданных(ТС «Скут-40»):
R = 320 000 бит/с;
(6)
– отношение энергии бита Eb к спектральной
плотности мощности шума No:
Eb
No
= 6,25 ≈ 8 дБ;
– вид модуляции — КАМ-64;
– количество передаваемых символов для варианта
ПЧ:
nк = 24 и nи = 20;
(8)
– количество передаваемых символов для варианта
КХ:
nк = 24 и nи = 18.
(9)
Выражение для вычисления вероятности символьной
ошибки информационного блока имеет
вид [5, c. 353]
2Eb
No
= Q(3,53)= 21,7 · 10−5, (10)
где для Q(x) используется следующее приближение
[5, c. 353]:
Q(x) ≈
x√2π
1
Вероятность Pu
e−x2
2 ,для x> 3.
(11)
мационном блоке, не содержащем корректирующих
M того, что в принятом инфорсимволов
nк, будет искажен один символ согласно
[5, с. 353] определяется следующим выражением:
Pu
M = 1−(1−Pu)nи
.
(12)
блоке, содержащем nи корректирующих символов,
будет искажен один символ согласно [5, с. 353]
определяется следующим выражением:
Pc
n
M =
j=2
n
j(Pc)j(1−Pc)n−j,
где j — количество ошибочных бит в блоке;
PC — вероятность символьной ошибки кодированного
блока.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
(13)
Вероятность PM того, что в закодированном
(7)
Стр.4
ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Количество бит
дБ
информационного блока
Отношение сигнал/шум, Eb
Скорость передачи битов,
R,бит/с
Вероятность появления
битовой ошибки, Pu
M и Pc
M
Результат сравнения с ТС
без кодирования
Таблица 1. Результаты расчета показателей вероятности появления битовой ошибки
ТС без кодирования ТС с кодированием ПЧ ТС с кодированием КХ
20
20
No
,
8
320 000
4,4 · 10−3
—
Результаты расчета показателей вероятности
появления битовой ошибки для описанных методов
кодирования приведены в табл. 1.
Анализ полученных данных показывает, что
применение кодирования снижает требуемое для достоверной
передачи отношение сигнал/шум, а также
уменьшает вероятность появления битовой ошибки,
что сопровождается характерным ростом скоростипередачиинформациивсвязи
с появлением
избыточности информации. Выигрыш по рассматриваемому
показателю составляет более чем
в 34 раза в случае применения ПЧ и более чем
в11раз—КХ.
Следует отметить, что при значении Eb
= 15 дБ у ТС без кодирования вероятность появлеNo
ния
битовой ошибки составит Pb = 10−3 (точка В),
аналогичный показатель ТС с применением КХ составит
Pb = 10−4 (точка А), что показано на рис. 3.
В заключение предлагается модель тракта приема
информации от источника (датчика), кодирования
и передачи, приведенная на рис. 4.
Опросный коммутатор циклически производит
снятие данных с подключенных датчиков.
Полученная измерительная информация поступает
в формирователь кадра, где преобразуется в последовательный
информационный код. После чего кодер
добавляет в информационный код служебные
разряды и отправляет сформированную последовательность
в преобразователь. Тот, в свою очередь,
преобразует последовательный код в параллельный,
необходимый для модулирования несущих.
После сложения несущих формируется выходной
сигнал U(t).
Рис. 3. Зависимость Pb от Eb
No
В качестве перспектив дальнейших исследований
предлагается рассмотреть вопросы:
• применение КХ при увеличении позиционности
кода и дальнейшем уменьшении избыточности
КХ в связи с вероятным увеличением
проверяемой кодовой последовательности;
• внедрение в описанный принцип передачи
помехоустойчивого кодирования кодов Рида–
Соломона и Голея.
В результате проведенной работы получены
следующие результаты:
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
=
7
384 000
1,2 · 10−4
↓ PM более чем в 34 раза ↓ Pc
18
6,5
426 700
3,8 · 10−4
M более чем в 11 раз
45
Стр.5
46
А. П.МОРОЗ, Д.Ю.ПОЛЕНОВ
Рис. 4. Модель тракта приема, кодирования и передачи информации
1) рассмотрена возможность применения простейшихметодов
кодирования прирадиопередаче
ТМИ с использованием мультиплексирования
ортогональных несущих частот;
2) выполнено сравнение двух методов кодирования
— ПЧ и КХ, в результате чего показано,
что применение ПЧ увеличивает длительность
передачи символа на 10 %;
3) проведены расчеты вероятности искажения
символа при радиопередаче, анализ которых
дает основание полагать о снижении вероятности
появления символьной ошибки в случае
применения ПЧ и КХ более чем в 34 и 11 раз
соответственно;
4) приведена графическая зависимость Pb от Eb
на порядок при одинаковом значении Eb
No
;
5) приведена модель тракта приема, кодирования
ипередачиинформациидля применения вданном
методе радиопередачи и кодирования;
6) предложены дальнейшие пути развития данного
подхода передачи ТМИ, предполагающие
для случаев с применением КХ и без кодирования,
что свидетельствует об увеличении Pb
No
внедрение в рассматриваемый принцип помехоустойчивого
кодирования Рида–Соломона
икода Голея.
Список литературы
1. Мороз А.П., Поленов Д.Ю. Применение принципа
передачи телеметрической информации с мультиплексированием
ортогональных несущих частот
при работе в ракетном радиоканале // Тезисы докладов
ХХ-йНаучно-техническойконференции молодыхученыхиспециалистов.Королев:
РКК «Энергия»,
2014.
2. Джакония В.Е., Гоголь А.А., Друзин Я.В.и др.
Телевидение: Учебник для вузов. М.: Радио и связь,
2003. 616 с.
3. Мамчев Г. В. Основы радиосвязи и телевидения.
Учеб. пособ. для вузов. М: Горячая линия–Телеком,
2007. 416 с.
4. Цымбал В. П. Теория информации и кодирование.
Киев: Издательское объединение «Вища школа»,
1977. 288 с.
5. Бернард С. Цифровая связь. Теоретические основы
и практическое применение, 2-е изд.: Пер. с англ.
М.: ИД «Вильямс», 2003. 1104 с.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.6