SPREAD SPECTRUM SYSTEM PROTECTION FROM NARROWBAND INTERFERENCE WITH FAST FREQUENCY HOPPING

Full Text

Введение Аппаратура для управления беспилотными аппаратами и наземными роботами, обеспечивающая передачу видео, телеметрической информации, на рынке предлагается в основном от зарубежного производителя. Как правило, такое оборудование обеспечивает достаточное качество радиосвязи, но не рассчитано для работы в условиях намеренного противодействия. Параметры сигналов: рабочие частоты, вид сигнала, вид модуляции, стандартизованы и хорошо известны. Высокое качество передачи данных обеспечивается при высоких отношениях «сигнал/шум». Такие системы легко подавляются прицельной (по частоте и структуре) помехой. Для работы системы радиосвязи в условиях радиоэлектронной борьбы (противодействия) необходимо названные недостатки устранить. Защищенная система должна обладать энергетической скрытностью и повышенной помехозащищенностью. Скрытность может быть обеспечена следующими средствами: неизвестной и изменяющейся рабочей частотой; неизвестной структурой сигнала; энергетическая скрытность - за счет расширения спектра сигнала по сравнению с шириной спектра сообщения. Те же средства обеспечивают повышенную устойчивость к действию подавляющей помехи [1-7; 13-14]. Вопросы проектирования и опытной эксплуатации широкополосной системы связи (ШСС), созданной в соответствие с приведенными выше соображениями, были рассмотрены в [8-10]. Широкополосная система связи для передачи видео сообщений Система функционирует в диапазоне частот от 70 МГц до 6 ГГц, обладает пропускной способностью около 1 МБит/с при ширине спектра формируемых и принимаемых сигналов - до 56 МГц. Имеющиеся возможности при использовании сжатия изображения с использованием стандарта Н.264 позволяют обеспечить удовлетворительное качество передачи видео с разрешением 640×480 пикселей с частотой кадров 30 в секунду при отношении сигнал/шум на входе приемника около -10 дБ. Обработка видеоданных выполняется на микрокомпьютере RaspberryPi. Данные на систему формирования сигналов радиоканала подаются в формате UART с тактовой частотой до 2 МГц [10]. Рисунок 1. Макет мобильной версии защищенной системы радиосвязи для рабочего диапазона частот 2,8 - 3,8 ГГц Внешний вид мобильного макета приемо-передающего устройства системы радиосвязи показан на рис.1. В действующем макете системы радиосвязи передаваемая информация кодируется в циклической задержке псевдослучайной последовательности (ПСП) с периодом 255 и в начальной фазе, модулированной ПСП высокочастотной несущей [12]. Такая комбинированная модуляция позволяет получить 510 состояний сигнала и обеспечить передачу и прием одного байта данных плюс служебную информацию при отношении «сигнал/шум» порядка -10дБ. Структура сигнала при передаче данных показана на рис. 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 - синхронизация, 10 периодов; 2 - старт, 2 периода; 3 - данные, до 256 периодов; 4 - синхронизация,10 периодов; 5 - данные, до 256 периодов; 6 - синхронизация,10 периодов; 7 - данные, до 256 периодов; 8 - повторение цикла передачи данных неограниченное число раз; 9 - стоп, 1 период. Рисунок 2. Структура сигнала Все сигналы в системе построены на основе М-последовательностей с периодом 255, образованных разными порождающими полиномами. Синхронизация выполняется последовательностью №1, передача данных и служебной информации (в том числе сигналов «Старт» и «Стоп») - последовательностью №2. Тактовая частота формирования М-последовательностей 30 МГц. Период М-последовательности равен 8,5 мкс. Синхропосылка состоит из десяти периодов М-последовательности №1 (длительность синхропосылки 85 мкс) и обеспечивает символьную и фазовую синхронизацию сигнала на приемной стороне. Прием осуществляется согласованным фильтром. В случае передачи длинного пакета данных синхропосылка вставляется в поток каждые 256 периодов последовательности №2, обеспечивая компенсацию рассогласования сигналов приемника и передатчика, вызванного нестабильностью частоты внутренних генераторови частотным рассогласованием из-за эффекта Доплера. Данные и служебная информация закодированы в циклической задержке последовательности №2, которая передается с относительной фазовой модуляцией (ОФМ). Начальная фаза ОФМ задается синхропосылкой. Декодирование циклической задержки осуществляется с использованием алгоритма быстрого преобразования Адамара и последующим определением позиции максимума (по уровню). Преобразование Адамара сохраняет информацию о фазе [11], что позволяет выполнить также демодуляцию ОФМ. Алгоритм перестройки частоты при возникновении мощной помехи Использование широкополосного сигнала обеспечивает повышенную помехоустойчивость системы радиосвязи при действии широкополосных помех, обеспечивает энергетическую скрытность - прием сигналов осуществляется при малом отношении «сигнал/шум», до -10 дБ. Для улучшения помехоустойчивости по отношению к мощным широкополосным и узкополосным помехам различного временного и структурного характера, описанный алгоритм приема сигналов дополнен механизмом перестройки рабочей (несущей) частоты при появлении помехи в полосе основного сигнала. При работе приемного устройства с малым отношением «сигнал/шум» на входе (до -10 дБ) контроль состояния частотного канала простыми средствами становится невозможным. В описываемой системе это делается с использованием специальных запросных сигналов, которые передаются в паузах между основными сигналами, и обработки их подобно основным полезным сигналам. Функциональная схема системы показана на рис. 3. Реализация алгоритма перестройки начинается с процесса обнаружения помехи, появление которой фиксируется системой связи по критерию резкого ухудшения передачи данных в канале - невозможность обнаружения тестовых пакетов. После обнаружения помехи одной из сторон оба приемопередатчика переходят на следующую запрограммированную частоту. Для контроля канала связи обе стороны - «Сервер» и «Клиент» - посылают запросы в виде тестовых пакетов. Каждый тестовый пакет представляет собой последовательность из 8 периодов служебного сигнала «Тест» (определенная кодовая комбинация информационной М-последовательности №2). Тестовые пакеты могут передаваться как в потоке данных, так и индивидуально (индивидуально от «Клиента» к «Серверу»). Структура пакета при индивидуальной передаче показана на рис. 4. Период (частота) формирования тестовых пакетов зависит от занятости канала связи. Если устройство («Сервер» или «Клиент») не заняты приемом данных, период формирования пакетов составляет приблизительно 37,5 мс. Если устройство («Клиент») принимает данные, передача пакетов прекращается до окончания приема данных. Рисунок 3 Функциональная схема системы радиосвязи Канал связи считается чистым, если хотя бы в одном из двух последовательно принятых тестовых пакетов обнаружено не менее 6 периодов сигнала «Тест». За 136 мкс система «понимает», что канал чистый. В противном случае (через 75 мс) по радиоканалу на старой частоте передается команда на изменение частоты (команда может передаваться и «Сервером» и «Клиентом»), и устройства перестраиваются на следующую частоту из предварительно установленного (при настройке системы) списка. Частота изменяется примерно за 1 мс. Синхронизация, 10 периодов Тест, 8 периодов Рисунок 4. Структура тестового пакета при индивидуальной передаче Структура команды изменения частоты совпадает со структурой тестового пакета (см. рис. 4), но вместо сигнала «Тест» передается служебный сигнал «Частота» с указанием номера следующей частоты из списка. На стороне, принимающей команду на смену частоты, переключение происходит, только если в составе пакета обнаруживается не менее половины периодов сигнала «Частота» с одинаковым номером. В случае сильно зашумленного канала связи возможны ситуации, когда команда на переключение частоты не проходит. В результате связь между устройствами теряется. Для восстановления связи выполняется поиск путем последовательной перестройки приемопередатчиков на все частоты из списка. Поиск продолжается до обнаружения тестовых пакетов в принятых данных. Скорости перестройки частоты устройств в связке «Сервер» - «Клиент» не одинаковые и зависят от роли устройства («Сервер» или «Клиент»). Рассматриваемая система радиосвязи рассчитана главным образом на передачу видео-сообщений. Осуществляющий сжатие кодер видеосигналов (стандарт Н.264) формирует опорные кадры, имеющие достаточно большую длительность, и кадры изменений, которые имеют относительно малую длительность (см. рис. 5). Рисунок 5. Демонстрация частоты следования простых кадров и опорного. Битрейт 400 кбит/с, частота кадров 15 Гц В этих условиях приемлемыми для практического применения (обеспечивающими непрерывность видео на приемной стороне) получились следующие временные характеристики: период переключения рабочей частоты на стороне «Клиента» равен 75 мс, на стороне «Сервера» - приблизительно 600 мс (такова максимальная длительность опорного кадра видеосигнала). Среди особенностей стандарта H.264, используемого в настоящей системе связи, особое место занимает многокадровое предсказание [15]. Благодаря этой особенности кодер источника не привязан жестко к опорным (В-кадрам) кадрам, как в предшествующих стандартах сжатия, но может гибко выбирать порядок следования изображений для компенсации движения, предпочитая изображение, более близкое по содержанию к кодируемому. В ряде случаев, особенно при передаче изображений с часто повторяющимися одними и теми же участками, такая возможность позволяет существенно снизить требуемый битрейт. Эти преимущества стандарта H.264, а также особенности обработки сигнала на приемной стороне, позволяют системе передавать видео в реальном масштабе времени, не прерывая передачу в процессе компенсации помех. Таким образом, применение стандарта Н.264 и высокая скорость обнаружения и перестройки частоты позволяют осуществлять передачу видеоинформации практически без прерывания сеанса связи. Работа алгоритма «ухода» системы от помехи проиллюстрирована на рис. 6. Рисунок 6. Иллюстрация «ухода» системы связи от помехи На левой части рис. 6 спектр сигнала системы связи расположен на центральной частоте 3 ГГц (ширина спектра сигнала 56 МГц). Помеха на центральной частоте 2,95 ГГц (превышающая по уровню сигнал системы на 10 дБ) пока не мешает работе системы. При перестройке помехи на 3 ГГц происходит изменение рабочей частоты системы - система уходит на частоту 3,1 ГГц (см. правую часть рис. 6). Способность переходить на другую рабочую частоту оказывается полезной и при работе системы радиосвязи в сложных условиях распространения радиоволн - в условиях многолучевости и замираний. Качество передачи видеоинформации, например, при работе в здании заметно улучшается. Высокая скорость перестройки частоты с применением описанного алгоритма обеспечивается возможностями трансивера AD 9361. Но возможности микросхемы ограничивают число рабочих частот (8 частотных точек). Если этого количества частот недостаточно, необходимо создание другой радиочастотной части системы. Заключение 1. Проведены анализ и оптимизация временных параметров сигналов широкополосной системы связи, предназначенной для передачи видео сообщений с повышенной помехоустойчивостью - обеспечивается прием сигналов при отношении «сигнал/шум» до -10 дБ [9-10]. 2. Разработан механизм оценки состояния частотного канала, в котором принимается полезный сигнал при малом отношении сигнал/шум (до -10 дБ). 3. Разработан механизм быстрой перестройки частоты (ухода от помехи) при обнаружении помехи в основном канале. 4. Экспериментально показано, что передача видео сообщений при использовании стандарта сжатия Н.264 и разработанного алгоритма быстрой перестройки частоты обеспечивает наблюдение видео на приемной стороне практически без перерыва. 5. Комбинация двух методов противодействия помехам различного характера, как преднамеренным, так и случайным, повышает живучесть системы связи, обеспечивая тактическое преимущество в условиях проведения специальных операций.

About the authors

Andrey Gennadjevich Dolmatov

Ural Federal University

Email: a.g.dolmatov@urfu.ru

Alexander Sergeevich Luchinin

Ural Federal University

Email: r303las@mail.ru

Ivan Vladimirovich Malygin

Ural Federal University

Email: pit_pit2@mail.ru

References

Supplementary files