Учебное пособие по дисциплине СиСПИ

Основной недостаток ИКМ кодирования - невысокая эффективность с точки зрения сжатия сигнала, возможности снижения скорости при ИКМ ограничены.

Дельта модуляция представляет собой частный случай ДИКМ при использовании одноразрядного квантователя (R=1). Дельта-модуляцию широко применяют благодаря ее простоте.

При ДМ по каналу связи передают квантованное значение разницы между текущим значением отсчета и его предсказанием, причем квантование проводят всего по двум уровням:

,

где d - шаг увеличения или уменьшения d(n).

Таким образом, ДМ не обладает каким-либо преимуществом в скорости перед ДИКМ. Однако построение ДМ кодера и декодера существенно проще. Именно этим объясняется широкое распространение ДМ.

Сигналы наземных станций поступают на вход ретранслятора в различные моменты. Спутник в соответствии с существующей в системе шкалой времени формирует из поступающих сигналов многостанционный групповой сигнал - так называемый суперкадр - и ретранслирует его на Землю (рис. 12).

По методу ВМД/ВРК (ВМД при временном разделении каналов) сигнал каждой станции представляет собой группу импульсов, составленную из импульсов отдельных каналов. Положение каждого канала однозначно определяется синхрословом, передаваемым в начале кадра. В сформированном спутником суперкадре групповые сигналы каждой наземной станции разделяются благодаря временной.“привязке” кадров к синхросигналу, находящемуся в начале суперкадра.

210

3.5.6 Многостанционный доступ (МД).

Наиболее серьезной проблемой для спутниковой системы является проблема многостанционного доступа.

Сущность его состоит в том, что каждая наземная станция имеет возможность пользоваться ретранслятором для передачи своих сигналов независимо от работы другой станции и устанавливать связь через спутник с любой наземной станцией данной системы. Это придает всей системе гибкость в работе, однако накладывает на ретранслятор ряд дополнительных функций.

Многостанционный доступ можно организовать так, что между каждой парой станций будет закреплена линия. Возможен, однако, и многостанционный доступ по требованию, когда связь организуется в порядке очереди при наличии свободной линии.

Так как принципиально сигналы можно различать по частоте, по времени, в пространстве, а также по форме при использовании кодированных сигналов можно организовать четыре вида доступа: частотный многостанционный доступ (ЧМД), временной многостанционный доступ (ВМД), пространственный многостанционный доступ (ПМД), кодовый многостанционный доступ (КМД). В основе этих видов доступа лежат соответствующие принципы разделения сигналов.

Различают следующие виды многостанционного досту-

па:

1) пространственный МД (ПМД).

Состоит в разделении пространства на области с помощью антенн с узкими диаграммами направленности путем совместного использования частот (при разделении по поляризации). Его использование предоставляет для спутниковых систем дополнительные возможности. Гибкость системы обеспечивается ценой усложнения бортовой аппаратуры и увеличения массы.

2) частотный МД (ЧМД)- наиболее распространенный.

211

Состоит в том, что для каждой станции выделяется своя несущая частота. Позволяет использовать один бортовой ретранслятор для многих ЗС; пропускная способность ограничивается суммарным уровнем перекрестных шумов. Когда нелинейный усилитель усиливает сигналы на нескольких несущих, возникают перекрестные помехи, которые увеличивают общий уровень шума. Для понижения шума уменьшают мощность на входе усилителя ретранслятора, но при этом понижается уровень сигнала несущей частоты на приемном конце линии, из-за чего увеличивается влияние тепловых шумов приемника ЗС. Таким образом, уменьшение входной мощности усилителяретранслятора должно быть до некоторой оптимальной величины, но и при оптимизации это приводит к уменьшению мощности ретранслятора на 6 дБ по сравнению со случаем, когда вся информация передается на одной несущей. Метод эффективен, если величина мощности не ограничена.

ЧМД можно реализовать двумя способами:

а) каждая несущая уплотняется множеством каналов, как это делается в наземных системах связи;

б) в бортовой аппаратуре для каждого канала (канала тональной частоты) используется своя несущая частота.

В случае многих несущих усложняется проблема перекрестных помех. С другой стороны их уровень асимптотически приближается к некоторому предельному значению. Один канал на несущую (ОКН) подходит для систем, где много линий, в каждой из которых есть лишь несколько одновременно обслуживаемых каналов. Обычное уплотнение удобно для земной аппаратуры, но экономически оправдано, когда на каждой несущей передается групповой сигнал из 12 и более каналов. (Используются оба способа ЧМД).

Вид модуляции: ИКМ, -модуляция, узкополосная ЧМ осуществляется на базе компромиссных решений.

3) временной МД.

212

Используется при передаче больших потоков информации. Его идея заключается в том, что каждая наземная станция, использующая ретранслятор спутника, имеет закрепленный за ней временной канал - периодически повторяющийся интервал времени. Сигналы наземных станций поступают на вход ретранслятора в различные моменты. Спутник в соответствии с существующей в системе шкалой времени формирует из поступающих сигналов многостанционный групповой сигнал - так называемый суперкадр - и ретранслирует его на Землю (рис.

3.53).

Рис. 3.53

Каждой ЗС выделяется определенный временной интервал для передачи, и все ЗС работают с данным ретранслятором ИСЗ на одной и той же несущей. Не возникают перекрестные шумы, и повышается пропускная способность системы, но требует значительного усложнения земного оборудования. ВМД более эффективны, чем ЧМД.

Спутниковая система с ВМД исключительно гибкой с точки зрения сочетания различного типа пользователей. Эта система удовлетворяет требованию, чтобы сигналы спутниковой

213

системы без преобразования передавались по наземным линиям и распределялись по оконечным устройствам потребителей, к которым относятся телетайпы, дисплеи, компьютеры, факсимильные аппараты.

ВМД легко сочетается с ПМД, так как достаточно переключать пакеты с одного с антенного луча на другой, в соответствии с их пунктом назначения, но возрастает сложность аппаратуры. ВМД с коммутацией на спутнике обеспечивает увеличение пропускной способности на 30%, по сравнению с ЧМД. В системе КС/ВМД есть один ствол шириной 400 МГц, в отличие от ЧМД, где используются 5 стволов по 80 МГц.

Бортовая коммутация с временным разделением производится в течение наносекунд, чтобы последовательные пакеты успевали переключаться на разные узконаправленные лучи.

4) кодовый МД.

Состоит в том, что передаваемая с каждой ЗС информация кодируется с применением псевдослучайных последовательностей, чтобы передача заняла всю ширину полосы ретранслятора. ЗС, для которой предназначена информация, имеет образец псевдослучайных последовательностей и с помощью коррелятора может выделить сигнал из шума, возникающего вследствие одновременной работы многих ЗС.

Преимущества для военных систем, так как расширение спектра используется для повышения помехоустойчивости к организованным помехам, а псевдослучайные шумовые последовательности увеличивают стойкость засекречивания. Хуже используются мощность и частотный спектр, чем при МДЧУ, не говоря уже о МДВУ. Он требует дополнительного оборудования.

3.5.7 Структура кадра

Кадр - это выбранный временной интервал, через который цикл повторяется.

214

Пакет - это сигнал, состоящий из модулированной несущей и занимающий закрепленный временной промежуток в кадре. Опорный или синхро-пакет (S) появляется в начале кадра и имеет особую структуру. Вследствие несовершенства синхронизации, между пакетами нужен защитный интервал (G). Пакет состоит из вводной части (преамбулы) (P), информационной части (М) и в некоторых системах - заключительной части (Q).

Вводная часть (P) состоит из:

-последовательности для восстановления несущей;

-последовательности для восстановления тактовой синхронизации символов;

-кодового слова пакета, предназначенного для синхронизации пакетов;

-кода опознавания станции;

-других служебных частей.

Информационная часть (М) содержит поток сообщений, который может быть уплотнен или закодирован. Для сброса декодера или демодулятора используется заключительная часть (Q), состоящая из нескольких символов.

Символ - это один из импульсов модулированной несущей, занимающий промежуток времени, называемый длительностью символа (Т) и определяемый тактовой частотой в пакете.

Скорость передачи информации (R) называется мгновенная скорость следования посылок в пакете.

Геостационарные спутники должны оставаться в области пространства, ограниченной квадратом со стороной 0,1 . Из-за эллиптичности орбиты высота ИСЗ изменяется в пределах0,1%. Таким образом, спутник может находиться в любой точке пространства, ограниченный параллелепипедом 25*25*75км. Длина диагонали параллелепипеда 83 км соответствует наибольшему изменению полной задержки на 500 мкс. Так как длина кадра МДВУ составляет сотни микросекунд, то необходима синхронизация.

215

Синхронизация в ВМД - это предоставление всем станциям информации о временных соотношениях с целью предотвратить наложение пакетов в ретрансляторе, а также обеспечить правильную идентификацию пакетов. Вхождение в синхронизм - это процесс введения станции в синхронизм с работающей сетью ВМД. Ввод - это начало функционирования сети ВМД после периода отсутствия передачи.

Кадровой эффективностью Э называется отношение части кадра, которая может быть использована, к полной длине кадра:

где F- длина кадра, мкс;

S- число символов в синхропакете;

Piчисло символов в водной части пакета;

Qiчисло символов в заключительной части пакета;

Giзащитный интервал времени, выраженный в эквивалентном числе символов;

N- число доступов (станций);

Современные системы МДВУ имеют кадровую эффективность >90%.

Методы синхронизации МДВУ.

Имеются 6 классов методов синхронизации МДВУ: 1) Метод случайного доступа.

216

Каждой станции разрешается случайный доступ. В простейшем случае информации о временных соотношениях не требуется, следовательно, некоторые пакеты перекрываются.

Пример: переключение пакетов в системе ALONA и в системе ARPANET и адаптация.

2) Методы вида “опорный пакет + автоматическая синхронизация”.

В сети станций, совместно использующих некоторый ретранслятор, одна станция передает опорный пакет, который проходит через ретранслятор и принимается всеми станциями. Каждая станция использует этот опорный пакет для установления кадровой синхронизации. Относительно получающейся точки отсчета станция может занять заданный временной интервал, но лишь приблизительно, так как точные значения задержек в линиях неизвестны. Каждая станция наблюдает за своей передачей и точно устанавливает положения своих пакетов; это называется автоматической синхронизацией или автоматическим определением длины пути.

3-подкласса:

- Подкласс INTELSAT - самая большая группа систем. Применение опорных посылок, автоматическая синхро-

низация каждой станции (все станции охватываются главным лепестком глобального луча антенны ИСЗ), использование вводной части пакета со сложной структурой, распределенное управление. Опорные пакеты передаются с частотой кадров постоянной ведущей станцией. Эти короткие пакеты модулированы опорным кодовым словом. Каждая станция принимает их с целью обеспечения кадровой синхронизации путем апертурного стробирования. После предварительного определения дальности сигналами малого уровня станция, осуществляющая доступ, передает только вводную часть, располагаемую в середине выделенного временного интервала. Станция принимает свое кодовое слово, сравнивает его время прихода со временем прихода

217

опорного кодового слова и синхронизирует свою передачу относительно опорных пакетов.

Вход в синхронизм около 3 с. Используется обычное оборудование, необходимое для непрерывной синхронизации. Обязательно нужен опорный пакет. При выходе из строя опорной станции возможен перевод обычной станции в режим ведущей. Точность синхронизации связана с величиной защитных интервалов. Минимально достижимая величина их около 50 нс, при скорости передачи 60 Мбит/с, защитный интервал равен длительности трех символов.

При двухфазной ФМ длина кодового слова равна 20 бит, при четырехфазной ОФМ длина слова равна 10 символам.

Пример: INTELSAT, TTT (Япония), TDMA SYSTEM1 (Германия), SMAX (Япония), TELESAT (Канада), проект NTT (Япония), национальные системы США.

- Подкласс “широкий луч - узкий луч”.

МДВУ при использовании спутников с остронаправленными антеннами.

Метод синхронизации подкласса INTELSAT используется в глобальном луче, а потоки сообщений передаются в узком луче. Каждый синхропакет в ретрансляторе с широким лучом имеет формат, подобный вводной части обычного пакета. Все требуемые временные соотношения при передаче пакетов через ретранслятор с узкими лучами обеспечиваются с помощью синхронизации, осуществляемой широким лучом и метод сравнения фаз для синхронизации при работе с широким лучом. Каждая станция передает общую частоту 1,33 кГц, соответствующую частоте следования кадров при их длительности 750 мкс. Этой частотой модулируется частота несущей, выделенной только для данной станции (МДВУ). Все ЗС принимают собственные сигналы и сигналы опорной станции, после чего производят сравнение фаз. Момент пересечения синусоидой нулевого уровня при положительной производной определяет начало кадра.

- Подкласс “шлейф через партнера”.

218

При использовании узконаправленных антенн. Каждой станции придается партнер, находящийся в зоне облучения. Партнер должен возвращать синхросигнал, обеспечивая тем самым возможность автоматической синхронизации через два пролета. Принцип называется также обратной петлей, а его разновидность “МДВУ с обратной связью”.

3) Синхронизация с помощью m - последовательностей. Используют свойства последовательностей максималь-

ной длины. С помощью сигналов (широкополосных) низкого уровня с хорошими корреляционными характеристиками можно осуществить точную синхронизацию с минимальными помехами для системы. На этом принципе основана синхронизация системы оборонной связи (DSCS).

4) Метод окна.

Метод основан на коммутации узконаправленных антенн на борту спутника в сочетании с МДВУ и МДПУ - это многостанционный доступ МДПУ/ПБ/МДВУ. ЗС должны синхронизироваться по коммутирующей последовательности, за которой осуществляется слежение в цепях подачи сигнала в антенну спутника. В коммутирующей последовательности создается временной зазор ограниченной длительности (обычно 1 мкс). ЗС передает сигнал синхронизации, который должен пройти через это окно. Когда такое условие выполнено с требуемой степенью точности, ЗС считается засинхронизированной. Синхронизация станции осуществляется в 3 этапа: в период “грубого поиска” оценивается положение пакета станции относительно окна; далее путем “точного поиска” уменьшается ошибка синхронизации. Ошибки, обусловленные движением спутника, сокращаются на третьем этапе, где осуществляется режим слежения.

На этапе грубого поиска для оценки временных параметров используются ФМ сигналы двух типов: либо пакеты с ФМ; либо непрерывные поисковые ФМ сигналы.

В первом случае пакеты, поступающие на спутник в неподходящие моменты времени, отсекаются окном. Если такие

219