KB РАДИОСВЯЗЬ. СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

УДК 621.396.7

KB РАДИОСВЯЗЬ. СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

д. т. н. Комарович В. Ф., к. т. н. Ромвненко В. Г.

(часть 1.)

I.ВВЕДЕНИЕ

В последние годы во многих странах наблюдается рост интереса специалистов к системам KB радиосвязи. Ряд недостатков радиосвязи в этом диапазоне объективно способствовали более быстрому развитию кабельных (в том числе и волоконно-оптических), радиорелейных и спутниковых систем связи*. В условиях приоритетного внимания к этим системам со стороны организаторов и пользователей связи неоднократно изменялись как их отношение к KB связи, так и их взгляды на ее роль и место в общей системе связи. Тем не менее благодаря преимуществам этого вида связи перед другими до настоящего времени не ослабевают ни внимание к нему со стороны организаторов связи и пользователей, ни усилия специалистов, направленные на ликвидацию или. по крайней мере. на уменьшение присущих ему недостатков. Так, в табл. 1 приведены результаты сравнительной оценки различных видов связи, выполненной специалистами НАТО в начале 80-х годов [2].

К преимуществам KB радиосвязи следует отнести оперативность установления прямой связи на большие расстояния, простоту организации радиосвязи с подвижными объектами, возможность обеспечения связи через большие труднодоступные пространства (зоны повышенного заражения. труднопроходимые водные и горные районы, лесные завалы), высокую мобильность средств KB радиосвязи, довольно простую восстанавливаем ость связи в случае нарушения (в результате воздействия как случайных. так и преднамеренных помех) и низкую стоимость одного канала на километр дальности связи. Особое значение приобретает KB радиосвязь в чрезвычайных ситуациях — при организации и проведении аварийно-спасательных работ, координации действий, различных организаций и служб в районах стихийных бедствий (землетрясений, наводнений, крупных снежных и селевых лавин на промышленные и жилые районы).

Таблица 1. (без учёта пожара)

Сравнительная оценка видов связи по данным НАТО.

Н - Низкая
С - Средняя
В - Высокая
1 - Выполнена с учётом стоимости авиообъекта.
2 - Зависит от числа спутников и наземных станций
3 - Без учёта поражающего воздействия на авиообъект.

* В настоящее время ведется теоретическая и практическая проработка вопросов использования средств связи оптического диапазона (лазеров) на линиях прямой связи и линиях связи через ИСЗ. Кроме того, проводятся исследования в области связи, основанной на новых физических принципах - так называемой нейтринной связи [1].

Одновременно КВ связи присущи и такие недостатки, как резкое затухание сигнала на трассе радиосвязи. различный характер замирания сиграла, ограниченная ёмкость используемого диапазона частот. Качество связи существенно зависит также от времени суток, года и состояния ионосферы. Кроме того, системы KB радиосвязи характеризуются чувствительностью к случайным и преднамеренным помехам, а также высотным ядерным взрывам, малым отношением скорости передачи к занимаемой полосе частот, значительной доступностью для средств радиоразведки и одновременно малым отношением сигнал-помеха в точке приема. Пути устранения этих недостатков, в принципе, и определяют те направления, по которым в настоящее время ведется поиск мер по повышению эффективности KB радиосвязи. В зарубежной печати отмечается, что возрождение интереса к KB связи в настоящее время объясняется еще и установленной в ходе исследований [3, 4] уязвимостью в военное время спутниковых систем связи, получивших в 80-е годы весьма широкое распространение.

Для удобства анализа совокупность разработанных и уже реализованных мер по повышению эффективости KB связи условно разделена на организационно-технические и аппаратурно-технические.

2. ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕРЫ

Организация ретрансляции на трассах большой протяженности

Известно, что распространение радиоволн KB диапазона на трассах большой протяженности (1500—2000 км), как правило, является многолучевым. Это приводит к изменениям глубины и частости интерференционных замираний в точке приема, которые в основном и определяют качество радиоканалов, ограничивая скорость передачи сообщений по ним. Достаточно эффективной мерой повышения качества радиоканала и устойчивости связи является организация не просто ретрансляционных пунктов непосредственно на этих трассах, а создание сети ретрансляционных пунктов определенной структуры (5). Это позволяет успешно бороться с явлениями, вызванными не только естественными процессами в ионосфере, но и преднамеренными нарушениями состояния слоев ионосферы (например, в результате высотных ядерных взрывов). Положительный эффект в этом случае достигается организацией радиосвязи с необходимым корреспондентом по направлениям, "обходящим" зоны нарушения естественного состояния ионосферы.

В последние годы в США активно ведутся работы по исследованию сетей ретрансляционных пунктов в рамках создаваемой автоматизированной системы KB радиосвязи. По мнению специалистов США создание таких сетей повышает устойчивость радиосвязи, снижает энергетические затраты, повышает разведзащищенность линий радиосвязи, что, в свою очередь, приводит к снижению эффективности системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ) противника. Результаты экспериментальных исследований одной из таких сетей, развернутой на территории США [б), показали, что при использовании трехразовой ретрансляции существенно уменьшились энергетические затраты, а требуемые мощности передатчиков в течение суток не превысили 10 Вт. При передаче же сообщений по прямому маршруту для обеспечения связи заданного качества в отдельные периоды суток требовалась мощность до 10 кВт- Дальнейшее увеличение числа ретрансляций (в эксперименте до пяти) не привело к существенному росту выигрыша в мощности передатчиков. Таким образом, применение обходных маршрутов обеспечило снижение энергетических затрат, повысило устойчивость связи при ограниченных энергетических возможностях средств радиосвязи, используемых на ретрансляционных пунктах.

Данная мера наиболее целесообразна для магистральных линий KB радиосвязи. Именно здесь оказывается возможным применение стационарных приемопередающих центров с использованием достаточно мощных передатчиков и высокоэффективных антенн (как правило, имеющих значительные размеры и требующих большого времени на развертывание).

Проведенные исследования показали, что эффективность подобных KB сетей зависит от вида их структуры. По результатам оценок, полученных с помощью ЭВМ, в [5] сделан вывод о целесообразности построения таких KB сетей с использованием “базовых основ”. Последние представляют собой совокупность из нескольких базовых радиоцентров, связанных между собой по кольцевой схеме, через которые обеспечивается связь между корреспондентами данной сети. Такая структура позволяет использовать у корреспондентов более простое и менее энерго- и материалоемкое оборудование. Результаты машинного моделирования для сети из 18 радиоцентров. расположенных по всей территории Северной Америки (рис.I), показали, что с учетом соотношения между сложностью оборудования на базовых радиоцентрах и у корреспондентов, его стоимостью, мощностью передатчиков и размерами антенн, использование более трех базовых радиоцентров

Рис. I. Система KB радиосвязи с трехузловой “базовой основой"

>существенного выигрыша но связности KB сети и по времени задержки (в длительностях стандартного сообщения) в передаче информации от одного корреспондента к другому (рис. 2) не даст.

5 W IS 20 25 Временная задержка 6)

Рис. 2. Связность (а) и гистограмма задержки сообщений (б) в системах KB радиосвязи различной структуры:

1 — без “базовой основы”; 2 — 3 базовых узла;

Значительные материальные затраты на создание такой сети ретрансляционных радиоцентров, их эксплуатацию и поддержание в постоянной готовности приводят к определенной сдержанности зарубежных специалистов в разработке данного направления. Так, в периодической печати имеется лишь краткое сообщение о системе KB радиосвязи Scoupe Signal, развернутой в рамках глобальной системы оперативного управления вооруженными силами США. Основу этой системы составляют 12 наземных радиоцентров, рассредоточенных по всему земному шару. Каждый радиоцентр имеет до 12 передатчиков, автоматический цифровой коммутатор на 200 линий, четырехканальные приемники и другие устройства [7].

Организация KB радиосвязи с ретранслятором. вынесенным из зоны

Необходимость и важность оперативного обеспечения устойчивой KB радиосвязи между корреспондентами, удаленными друг от друга на расстояние 200...500 км. очевидна как для отдельных территориальных зон (районов) одного государства или промышленных объектов отдельных отраслей его экономики, так и для ряда государств в целом. Очень актуальна KB связь на такие расстояния (зоновая радиосвязь) для военных систем управления различного назначения. Характерным для этих дальностей связи являются: двухлучсвое распространение радиоволн, обеспечение связи но принципу “каждый с каждым” и, как следствие, необходимость использования ненаправленных антенн, крайне ограниченный диапазон частот, пригодных для связи по условиям распространения, и относительно высокий уровень случайных помех в этом диапазоне. Все это существенно снижает устойчивость зоновой KB радиосвязи. По мнению ряда специалистов [5] удовлетворение требований к зоновой KB радиосвязи по устойчивости, а также расширение ее функциональных возможностей можно обеспечить за счет ретрансляторов, вынесенных из данной зоны на расстояния порядка 500...2000 км. В этом случае связь по принципу “каждый с каждым” реализуется через один из таких радиоцентров — ретрансляторов. Такой способ организации радиосвязи позволяет обеспечить ее перевод из низкочастотной части KB диапазона к более частотносмкой его высокочастотной части. Это позволяет использовать частоты, наи-болге пригодные для связи как по условиям распространения (на трассах протяженностью 1000,-.2000 км) радиоволн, так и по помеховой обстановке на них. Кроме тот, 5 на таких радиоцентрах целесообразно и возможно применять остронаправленные антенны. В целом это позволит дополнительно увеличить отношение сигнал-помеха в точке приема и сделать радиосвязь в зоне более свободной от недостатков, характерных для KB радиосвязи на коротких трассах, обеспечив тем самым повышение ее устойчивости.

Организация лавинной KB радиосвязи

Применительно к зоновой KB радиосвязи фирмой Harris (США) разработан новый принцип организации связи— так называемая лавинная связь. Характерной его особенностью по сравнению с рассмотренными выше (“каждый с каждым” и через ретранслятор) является отсутствие необходимости учета условий распространения между отдельными радиостанциями в зоне. Как отмечается его разработчиками [8]. повышение устойчивости связи достигается однократным повторением передаваемых сообщений всеми радиостанциями, принявшими их. Общее число повторений определяется числом радиостанций в зоне и осуществляется так. чтобы обеспечивалась требуемая вероятность безошибочного приема для любой радиостанции этой зоны. Фирмой Harris были проведены испытания двухKB сетей, состоящих из 10 и 20 радиостанций с мощностью передатчиков 400 Вт. Общее число повторов для обеих сетей было выбрани одинаковым и равным 3. На первом этапе испытаний одна из радиостанций сети осуществляла передачу цифрового информационного сообщения, которому был присвоен номер 2. обозначающий необходимость обязательного повторения этого сообщения (т. е-, по сути дела, ретрансляции) каждой принявшей его радиостанцией- На втором этапе в работу включились все радиостанции, принявшие сообщение во время первого этапа, и передали тот же цифровой пакет информации, но уже с присвоением ему номера 1. Третий этап аналогичен второму, но пакету информации уже присваивается номер 0. В дальнейшем любая станция. приняв пакет информации с таким номером. дальше его не передает. Сравнение вероятности безошибочного приема для любой пары радиостанций При прямой связи между ними и при работе радиостанций в сети по принципу лавинной связи показали, что в последнем случае заданная вероятность безошибочного приема (0,994) обеспечивалась при гораздо меньшем соотношении сигнал-шум (на 20.4 дБ). чем требовалось при организации прямой связи. Из этого следует принципиальный вывод о возможности обеспечения заданной вероятности безошибочного приема в случае лавинной связи с помощью передатчиков существенно меньшей мощности, что должно способствовать улучшению общей электромагнитной обстановки на используемых для связи частотах.

Организация разнесенного приема

На трассах протяженностью менее 200 км распространение радиоволн чаще всего является двухлучевым со значительной разностью времени прихода лучей к месту приема. В условиях обычных способов приема даже при использовании высокоэффективных приемных антенн это приводит к значительным искажениям сигнала (за счет интерференции), а порой и к перерывам в радиосвязи. Общепризнанной и широко распространенной на практике мерой борьбы за повышение устойчивости KB радиосвязи в этих условиях является организация различных способов разнесенного приема. Суть этих способов сводится либо к выделению в каждый момент времени только одного наиболее интенсивного из приходящих лучей с последующим переключением на другой луч для обеспечения постоянства уровня принимаемого сигнала на входе приемника, либо к выделению нескольких лучей с использованием энергин-принятого сигнала по каждому из них для повышения соотношения сигнал-помеха на входе решающей схемы приемника.

Широкая автоматизация этих процессов на базе современной микропроцессорной техники, а также последних достижений в области создания приемных антенн с управляемой диаграммой направленности позволило бы более качественно противодействовать изменениям уровня сигнала в точке приема, а следовательно, и повысить устойчивость связи. Однако необходимость использования при этом высокоэффективных антенн, которые, как правило. имеют значительные размеры, а поэтому должны быть развернуты стационарно, в определенной степени сдерживают активность специалистов в разработке этого направления. Тем не менее вполне очевидно. что применение подобных автоматизированных систем с разнесенным приемом на стационарных радиоцентрах-ретрансляторах могло бы дать дополнительный эффект как в снижении мощности используемых передатчиков (тем самым обеспечить упрощение решения проблемы ЭМС в KB диапазоне). так и в повышении соотношения сигнал-помеха и поддержании его постоянства на входе радиоприемника в течение всего сеанса связи.

3. АППАРАТУРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕРЫ

Переход к цифровой связи в KB диапазоне

В начале 80-х годов в печати появились сообщения, свидетельствующие о возрождении интереса к цифровой KB радиосвязи [3, 4, 9—11). Этот интерес был вызван прежде всего тем, что в отличие от аналоговых сигналов цифровые сигналы позволяют значительно увеличить среднюю мощность передатчиков, а следовательно, повысить соотношение сигнал-помеха в точке приема, т. е. улучшить помехоустойчивость систем радиосвязи. Преимуществом цифровой радиосвязи является также отсутствие накоплений помех при ретрансляции в результате регенерации сигналов на линии связи, повышение надежности аппаратуры и возможность использования для обработки сигналов микропроцессорных устройств и ЭВМ. В то же время специалистами отмечаются ограниченные возможности применения цифровых методов передачи в KB диапазоне из-за специфических условий распространения радиоволн в этом диапазоне. Эта ограниченность проявляется прежде всего в предельно достижимых скоростях передачи дискретных сигналов, обусловленных многолучевостью и большим ослаблением энергии радиоволны на трассах радиосвязи. Так, прием телеграфных сигналов сопровождается краевыми искажениями единичного сигнала [9], что ограничивает максимально допустимую скорость телеграфирования, поскольку приводит к росту частости ошибок. При использовании одноканальной телеграфии с частотной или разностнофазовой манипуляцией скорость передачи обычно не превышает 150...200 Бод. Дальнейшее повышение скорости передачи может быть достигнуто либо соответствующим выбором частот, на которых исключено многолучевое распространение радиоволн, либо подавлением дополнительных лучей, либо использованием многочастотных модемов. В таких модемах информация передается в полосе стандартного телефонного канала на нескольких частотах с применением частотной или многократной фазовой или разностно-фазовой манипуляции. Последнее направление рассматривается специалистами как наиболее перспективное и достаточно хорошо разработанное. Так. в системе Kineplex используется 20 несущих с шагом 100 Гц и скоростью передачи 75 Бод на каждой несущей. Это позволяет обеспечить в полосе шириной 2 кГц общую скорость передачи информации 3 кбит/с. Лучшие результаты получены в системе Andeft. реализующей изменение разности фаз двух колебаний, передаваемых на разных несущих. При этом используется четырехкратная разностно-фазо-вая манипуляция с числом несущих, равным 66 (одна из них используется для синхронизации и одна — для передачи опорного колебания) и с интервалом между несущими 40 Гц. Для приема используется 62-канальный приемник, в каждом канале которого имеются корреляторы и фазовые детекторы.

Известно, что в обычных каналах тональной частоты для увеличения помехоустойчивости применяются устройства, использующие специальные коды, позволяющие не только обнаружить ошибки в принятых комбинациях, но и исправить их. Однако применение таких устройств в KB каналах из-за высокой вероятности появления ошибок большой кратности оказывается малоэффективным. Тем не менее применение специальных кодов в каналах с селективными за-мираниями приводит к достаточно хорошим результатам. Так, д [2) сообщается о применяемых в США KB модемах, которые могут обеспечить скорость передачи 3600 бит/с в канале с полосой 3 кГц с помощью 18 тонов. Причем 2400 бит/с используются для передачи оперативной информации. а 1200 бит/с — для обнаружения и коррекции ошибок. Здесь же сообщается, что в рамках выполнения программ “План НАТО по улучшению KB связи”, “Форма” и “Обзор сигнала-ИЬ предполагается значительно увеличить скорость передачи в цифровых KB каналах и довести ее до 16 кбит/с.

В [10] приводится Описание, технические характеристики и внешний вид системы Echotel (ФРГ), предназначенной для передачи цифровой информации в KB каналах.

Интенсивно ведутся также исследования по совершенствованию существующих систем радиосвязи путем введения цифровой обработки при приеме обычных сигналов. По мнению некоторых исследователей это в определенной степени способствует повышению качества KB радиосвязи. Широкое внедрение методов цифровой обработки сигналов (ЦОС) в системах связи обусловлено тем, что за счет изменения программы один и тот же процессор используется для выполнения различных функций по обработке принимаемого сигнала. При ЦОС снимается ограничение на виды обработки, свойственные аналоговой технике, и обеспечивается реализация любых формально описываемых преобразований сигналов. С помощью ЦОС могут быть осуществлены все известные в технике связи операции над сигналами: модуляция, демодуляция, генерация специальных функций, кодирование, декодирование, фильтрация, оценивание параметров и т. п. Считается, что повышение эффективности цифровой обработки сигналов предполагает объединение программного и схемотехнического подходов [12— 14]. При этом программный подход заключается в разработке новых алгоритмов обработки дискретных сигналов и реализуется в архитектуре вычислительных средств, а схемотехнический — в параметрах и архитектуре специализированных, заказных и полузаказных БИС. Создание специализированных ИС по обработке сигналов сделали возможным разработку цифровых приемников. В середине июня 1984 г. на 38-й ежегодной выставке, сопровождающей конференцию Ассоциации вооруженных сил по связи и электронному оборудованию, отделением Collins Defense Communication фирмы Rockwell International Corporation был представлен новый приемник HF-2050. Этот приемник является одним из первых, доведенных до стадии серийного производства, в котором используется цифровая обработка сигнала для выполнения функций демодуляции на промежуточной частоте и автоматической регулировки усиления. Частотный диапазон приемника 0,5-.30 МГц. Возможна предварительная установка 30 заранее подготовленных частот и, при необходимости. автоматическое сканирование по всем этим частотам или по их части. Время настройки менее 50 мс [14]. Классические для промежуточной частоты функции преобразования и фильтрации реализуются в зависимости от заказываемого варианта приемника четырьмя или пятью специализированными микропроцессорами. Операции выполняются над сигналами в цифровой форме, полученными в АЦП, преобразующего аналоговый сигнал в цифровую форму на промежуточной частоте 3 МГц со скоростью 12-10^е отсчет/с. После обработки цифровой сигнал превращается в аналоговый (звуковой) с помощью ЦАП, работающего с частотой преобразования 16-10³ отсчет/с. При этом блок ПЧ насчитывает 2000 компонент вместо 3500, входящих в состав сравнимого с ним по своим характеристикам полностью аналогового приемника, т. е. число комплектующих элементов сократилось более чем на 40 %. Это позволило уменьшить площадь плат и габаритные размеры приемника примерно на 30%. По утверждению представителей формы цифровые фильтры уменьшают временные искажения сигнала в 10 раз по сравнению с электромеханическими или кварцевыми фильтрами, на которых построены обычные приемники. Отмечается также, что возможность программной перестройки полосы пропускания фильтров может оказаться весьма важным преимуществом для военных линий радиосвязи, нуждающихся в средствах противодействия преднамеренным помехам.

Часть 2 >>