Analiza Performantelor Echipamentelor Radio Hcdr

LUCRARE DE LICENȚĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

TEMA: “ANALIZA PERFORMANȚELOR ECHIPAMENTELOR RADIO HCDR (HIGH CAPACITY DATA RADIO)”

CUPRINS

CAPITOLUL 1

TIPURI DE MODULAȚII UTILIZATE DE ECHIPAMENTELE HCDR

Prin modulație se înțelege transferarea proprietăților unui semnal, numit semnal de bază sau semnal modulator, către alt semnal, numit purtător. În urma acestui transfer rezultă semnalul modulat.Necesitatea modulației în problema transmiterii informației se sprijină pe următoarele argumente.Modulația este necesară pentru a face posibilă transmiterea informației printr-un mediu de transmitere dat (aerul sau vidul, ghiduri de undă, fibre, etc.). De exemplu, semnalul vocal nu poate fi transmis direct prin unde hertziene. Semnalul purtător trebuie sa aibă capacitatea de a fi transmis prin mediul concret, dintr-o situație dată, făcând posibil transferul mesajului conținut în semnalul modulator. Modulația este necesară pentru economicitatea transmisiei. Pe un canal fizic realizat printr-un mediu dat, se poate realiza transmiterea simultană a mai multor semnale, fără a exista interferențe între acestea.

Modulația oferă, în unele cazuri, o bună protecție impotriva parazițiilor. Se notează generic cu x(t) semnalul de bază. Semnalul purtător va fi notat cu xp(t). Semnalul purtător poate fi armonic (semnal cosinusoidal) sau tren de impulsuri. Prin urmare, există două tipuri de semnale modulate:

semnale modulate pe purtător armonic;

semnale obținute prin modulația impulsurilor.

În cazul primei categorii de semnale modulate, purtătorul are expresia:

Proprietățile semnalului de bază pot fi transferate unuia din cei trei parametri ai lui xp(t): amplitudinea , frecvența și faza inițială, .

Modulația QAM

QAM(Quadrature Amplitude Modulation) se folosește de efectul a două semnale care utilizează aceeași frecvență purtătoare, dar sunt modulate printr-un semnal sinusoidal și unul cosinusoidal (Figura 1.2.) care nu interferează într-un mediu ideal. Acest fapt este ușor de aplicat în cazul transmisiunii digitale și are o rată dublă de eșantionare, la fel de ridicată ca și frecvența purtătoare. (Conf. dr. ing. Ștefan Stăncescu). În cazul cel mai simplu, un semnal purtător are trecerea prin frecvența zero în timp ce celălalt este eșantionat. Chiar dacă nu există o relație integrală între rata de eșantionare și frecvența purtătoare această tehnică în cuadratură, care poate fi privită ca o combinație între modulația de faza și cea de amplitudine, poate fi aplicabilă și în aceste condiții. În acest caz este nevoie de o mai mare complexitate a transceiver-ului deoarece demodularea folosită, pentru perechea de purtătoare sinus și cosinus, trebuie să detecteze un tact de timp dublu. Tactul de timp dublu constrânge impulsul transmis în banda de bază să prezinte o formă dreptunghiulară și să nu varieze în amplitudine peste perioada de simbol.

QAM poate fi înteleasă ca o modulație PAM(Pulse Amplitude Modulation) bidimensională în care fiecare din cele două purtătoare folosește o modulație în amplitudine a impulsului unidimensională. Ca și în sistemele PAM spectrul transmis influențează performanța acestora întotdeauna când mediul nu este dominat de paradiafonie. Filtrele folosite pentru cele două dimensiuni sunt perechi Hilbert, ceea ce însemnă că acestea au aceelași răspuns în amplitudine iar cel în fază are un decalaj de 90º. Egalizarea în sistemele QAM este similară cu cea folosită în sistemele care folosesc PAM. Pentru a realiza egalizarea în cele două dimensiuni ale sistemelor QAM există două posibilități.

Prima este dată de separarea celor două dimensiuni cu ajutorul unor filtre de fază ideale (perechi Hilbert) sau cu un demodulator așa cum este prezentat în Figura 1.2. Apoi egalizarea pentru semnalele în fază și în cuadratură poate fi realizată separat unidimensional la fel ca la PAM. Dezavantajul major al acestei metode este dat de interferența dintre cele două dimensiuni, care se manifestă datorită imperfecțiunilor din canal și nu pot fi redate direct cele două semnale recepționate. Pentru a anula aceste interferențe trebuie folosită în egalizor o structură încrucișată.

A doua metodă folosește cele două dimensiuni ca o singură intrare complexă în egalizor. Egalizarea sistemelor QAM este înlesnită de existența unui purtător coerent, ceea ce duce la o recuperare a tactului de timp mai ușoară.

Principiul QAM

Modulația de amplitudine în cuadratură (Quadrature Amplitude Modulation) este o tehnică de modulație care combină modulația de amplitudine și modulația de fază, în sensul că informația pe care dorim să o transmitem prin canalul de comunicație se reprezintă prin variații de amplitudine și schimbări de fază ale unui semnal purtător.

Fig. 1.2. – Modulatorul QAM

La momentul de timp discret n, simbolul de informație complex:

x’(n) =xr’ (n)+ jxi’ (n)

reprezintă punctul de semnal 2-D cu coordonatele (xr’ (n), xi’ (n)) , unde xr’ (n), xi ‘(n) sunt numere reale.

La intrarea filtrelor formatoare de impulsuri (Pulse Shaping Filter) avem:

unde este impulsul Dirac = , iar Ts este durata simbolului de informație.

La ieșirea filtrelor formatoare de impulsuri (Pulse Shaping Filter) avem:

unde g(t) este raspunsul la impuls a filtrelor formatoare de impulsuri(nu sunt identice).

Semnalul modulat QAM se obține prin înmulțirea semnalelor modulatoare în fază, respectiv în cuadratură, de la ieșirea filtrelor formatoare de impulsuri, cu componentele în fază, respectiv în cuadratură ale semnalului purtător și prin însumarea semnalelor rezultante:

, unde este pulsația semnalului purtator.

Tipuri de modulații QAM

În modulația de amplitudine în cuadtratură, punctele constelației sunt aranjate sub forma pătratică dispuse la distanțe egale între două puncte alăturate, însă și alte constelații sunt posibile. Din moment ce în comunicațiile digitale, datele transmise sunt de obicei binare, punctele constelațiilor sunt ca număr o putere de-ale lui 2 (2,4,8…). Cum majoritatea modulațiilor în cuadratură sunt în formă de pătrat, cele mai cunoscute modulații sunt 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM si 256-QAM. Prin mărirea ordinului de modulație se pot transmite mai multi biți pe un simbol. Însa acesta implică o vulnerabilitate mult mai mare la zgomot sau alte distorsiuni, rezultand o rată de erori pe bit mult mai mare. (prof.dr.ing. Miranda Naforniță)

8-QAM vs 16-QAM

În modulația 8-QAM datele sunt divizate în grupuri de trei biți (Tribit), unul dintre aceste grupuri variind amplitudinea purtătoarei, iar celelalte două faza acesteia. Semnalul modulat poate avea 4 faze diferite și două valori de amplitudine diferite (Fig.1.3.). În timp ce în modulația 8-QAM datele sunt divizate în grupuri de trei biți, în modulatia 16-QAM datele sunt divizate în grupuri de patru biți (Quadbit). Cele 16 combinații schimbă faza și amplitudinea purtătoarei, care poate avea 16 stări diferite (Fig.1.4.).

Fig.1.4.- Diagrama constelației 8-QAM Fig.1.5.- Diagrama constelației 16-QAM

Constelația stărilor 16 – QAM

În cazul modulației QAM, dacă se face o semnalizare pentru fiecare grup de câte 8 biți, va fi necesar ca fiecare semnalizare să poată avea 256 de “variante distincte” (256 de semnalizări, care să se asocieze cu cele 256 combinații posibile cu 8 biți).

Tehnicile combinate de modulație au mai multe grade de libertate pentru realizarea practică a unui număr mare de stări. De exemplu, modulația digitală QAM fiind simultan o “modulație în amplitudine și în fază”, rezultă că una dintre stări va fi definită de o amplitudine din N nivele posibile și de o fază din M unghiuri posibile. Dacă se analizează modulația digitală 16-QAM, aceasta are 16 tipuri de semnalizări (16 stări), care sunt definite prin 8 unghiuri posibile, iar fiecare unghi având asociate 2 amplitudini (82=16). În Fig. 1.5. este reprezentată ,,constelația de stări” a unui astfel de modem (16-QAM).

Constelația stărilor, sau diagrama spațială a semnalului modulat digital devine tot mai complexă pe măsură ce numărul de biți transmiși printr-o semnalizare crește. Acest lucru este evident, deoarece în cazul când se semnalizează fiecare grup de 8 biți constelația va evidenția 256 de puncte, iar pentru un grup de 10 biți constelația va avea 1024 puncte.

În astfel de situații, este obligatoriu să se lucreze cu mai multe deplasări în amplitudine, mai multe deplasări în frecvență, mai multe deplasări în fază. Transmisii QAM cu 16 sau 32 nivele, cu 16 sau 32 deplasări ale fazei, nu mai sunt proiecte ci au devenit aplicații.

Modulația PSK

Modulația cu salt de fază (Phase Shift Keying ) este o modulație de fază care implică modificarea fazei unui semnal purtător, la începutul fiecărei perioade de simbol, cu o valoare ce depinde de combinația de biți de date (multibit) ce trebuie transmis.

Această modulație prezintă o bună imunitate la perturbații și distorsiuni, ocupând o bandă de frecvență relativ redusă pentru un debit binar dat, ceea ce îi conferă un factor de eficiență spectrală destul de ridicată și un factor de energie destul de redus, în condițiile unei complexități medii de implementare.

Caracterisitici generale

În această formă de modulare, sinusoida purtătoare ia două valori ale fazei, determinate de semnalul de date binar (modularea cu două faze) sau de combinația unui anumit număr de biți (modularea cu N faze).

Principalii factori care caracterizează PSK (Phase Shift Keying) sunt:

Este utilizată pentru transmisii radio digitale;

Necesită circuite de complexitate medie – mare ;

Rată mare de erori, dar mai mică decât la FSK;

Dacă denumim Fb viteza de transmisie a biților, spectrul minim de transmisie a semnalului modulat, Bw, este mai mare decât Fb;

Eficiența transmisiei, calculată ca fiind raportul dintre Fb și Bw, este mai mică decât valoarea 1;

Viteza în baud, definită ca viteza simbolurilor, este egală cu viteza de transmisiune Fb.

8 – PSK vs 16 – PSK

In cazul modulației 8 – PSK purtătoarea sinusoidală ia 8 valori diferite ale fazei, separate la 450, determinate de combinația a trei perechi de biți (TRIBIT) a semnalului de date binar.

Principalele caracteristici ale modulației 8 –PSK sunt:

Are aplicații în modem-uri pentru transmiterea datelor (ITU – T V27, BELL 208) și transmisii radio digitale;

Necesită circuite de mare complexitate;

Probabilitate de erori mai mare decât la 4 – PSK;

Dacă denumim Fb viteza de transmisie a biților, spectrul minim Bw al semnalului modulat este egal cu Fb/3;

Eficiența transmisiei, definită drept raportul dintre Fb și Bw, este egală cu 3;

Baud sau Rata Baud, definită ca viteza modulației sau viteza simbolurilor, este egală cu Fb/3.

In cazul modulației 16-PSK purtătoarea sinusoidală ia 16 valori diferite ale fazei, separate la 22.50, determinate de combinația a 4 perechi de biți (QUADBIT) a semnalului de date binar.

Principalele caracteristici ale modulației 16-PSK sunt:

Are aplicații în transmisii radio digitale;

Necesită circuite de mare complexitate;

Probabilitate de erori mai mare decât la 8 – PSK;

Dacă denumim Fb viteza de transmisie a biților, spectrul minim Bw al semnalului modulat este egal cu Fb/4;

Eficiența transmisiei, definită drept raportul dintre Fb și Bw, este egală cu 4;

Baud sau Rata Baud, definită ca viteza modulației sau viteza simbolurilor, este egală cu Fb/4.

Modulația QPSK

Modulația binară de fază (BPSK)

Modulația de fază cu semnal modulator digital asociază câte o fază (dacă este absolută) sau un salt de fază (dacă este diferențială) pentru fiecare grup de biți din fluxul de date ce trebuie transmis, în așa fel încât să se obțină o distribuție uniformă a unghiurilor, egal distanțate între ele pe cercul trigonometric, pentru creșterea imunității la perturbații. Cazul cel mai simplu rezultă atunci când biții nu sunt grupați împreună, asociindu-se câte o fază sau un salt de fază fiecărui bit în parte, în funcție de valoarea sa logică. Acest tip de modulație PSK se numește BPSK = “Binary PhBinary Phase Shift Keying”.

Dacă se utilizează în varianta absolută, modulația bpsk asociază valorilor logice “1” și “0” ale fiecărui bit două faze inițiale opuse: bit“1” => φ(t)=0° și bit“0” => φ(t)=180°. Considerând ca referință de fază purtătoarea nemodulată cu faza inițială φ=90°, rezultă o deviație de fază sub influența semnalului modulator cu valoarea ∆φ=90° și semnul plus pentru bitul “0”, respectiv minus pentru bitul “1”. Forma de undă a semnalului modulat în acest fel care rezultă la transmisia șirului de biți “1101100101” este prezentată în figura 6.1. Se remarcă prezența salturilor de fază de 180° care apar la schimbarea valorii logice transmise pe linie, producând întoarcerea în oglindă a semnalului la trecerea prin zero a purtătoarei nemodulate. deoarece modulația este absolută, nu apar modificări în faza semnalului modulat pentru biți consecutivi cu aceeași valoare logică.

Dacă ar fi fost modulație diferențială, deviația de fază ∆φ=90° s-ar fi considerat față de faza bitului anterior și nu față de faza purtătoarei nemodulate și ar fi produs doar salturi de fază de 90° între toți biții consecutivi, cu semnul plus sau minus, în funcție de valoarea acestora. Este important de remarcat că forma de undă cu întoarcere prezentată apare doar dacă trecerile prin zero ale purtătoarei sunt cumva sincronizate cu momentele de schimbare a biților semnalului modulator digital. În caz contrar salturile de fază pot apărea în orice punct de pe forma de undă a purtătoarei și nu produc neapărat întoarceri, ci doar variații bruște de 180° ale fazei.

CAPITOLUL 2

ECHIPAMENTE RADIO CU CAPACITATE

MARE DE TRANSFER DE DATE

Dinamica acțiunilor militare la nivel tactic, combinată cu mobilitatea mare a platformelor de armament impune condiții deosebite asupra sistemlor de comunicații utilizate pe cămpul de luptă. Totodată volumul de trafic necesar conducerii acțiunilor, achiziției si lovirii țintelor, coordonării acțiunilor a crescut. Din aceste considerente, proiectarea sistemelor de comunicații militare la nivel tactic devine dificilă. Datorită costurilor reduse ale interoperabilității, s-a încercat adaptarea protocoalelor de comunicații civile (WLAN) la comunicațiile radio militare la nivel tactic. Astfel s-a urmarit aducerea ,,Internetului Tactic” pe cămpul de luptă pănă la nivelul fiecărui luptător sau platformă de armament. Specificul acțiunilor militare tactice a determinat necesitatea proiectării unor stații radio pentru transmisii rapide de date (HCDR – High Capacity Data Radio) și eliberarea unor protocoale noi compatibile cu TCP/IP (Transmision Control Protocol) sau UDP (User Datagram Protocol) .

2.1. Caracteristici generale HCDR

Pentru implementarea MANET ( Mobile Ad-hc Network) la nivel tactic sunt utilizate stații radio în gamele HF/VHF/UHF. Stațiile radio în gamele HF și VHF asigură în principal transmisii de voce securizate și transmisii de date la rate de transfer reduse (max. 9,6 kbps pentru HF și 64 kbps pentru VHF). Pentru a rezolva problema necesarului de bandă au fost proiectate stații radio penru transmisii de date la viteză mare (HCDR). Acest tip de stații au capacitatea de a transmite date la viteze de căteva sute de kbps. Astfel de stații sunt utilizate pentru realizarea rețelei backbone autoconfigurabile la nivel brigadă.

Principalele caracteristici ale stațiilor HCDR sunt :

1. capacitatea de interconectare ad-hoc și algoritmi de autoconfigurarea automată a rețelei;

2. rutarea dinamcă;

3. capabilități COMSEC;

4. probabilitate redusă de interceptare și bruiaj a formelor de unda;

5. forme de undă rezistente la propagare multicale;

6. forme de undă cu spectru împrăstiat;

7. posibilitate de rutare IP;

8. modificarea adaptivă a puterii de emisie și a ratei de transfer;

9. nu necesită infrastructură de comunicații fixă (stații de bază);

10. utilizează pentru interconectare protocolul TCP/IP;

11. interfețe pentru asigurarea legăturilor cu stații radio HF si VHF.

Categoriile de trafic ce vor fi suportate de către HCDR sunt :

1. voce digitală punct la punct sau punct la multipunct;

2. voce și date simultan;

3. voce în regim conferință;

4 . transfer fișiere;

5. e-mail;

6. faximil;

7. video și videoconferință;

8. transfer de imagini;

9. transferul datelor obținute de la senzori de pe cămpul de luptă.

2.2. Forme de undă ale HCDR

Pentru a realiza funcțiile enumerate mai sus, formele de undă utilizate de către HCDR trebuie să asigure compatibilatea cu standardele militare în gamele HF și VHF și totodata să ofere suport pentru transmisii de date la viteze ridicate. Rezultă ca statiile radio HCDR vor utiliza un numar minim de 3 forme de undă distincte: 2 forme de undă de bandă îngustă (una pentru gama HF si una pentru gama VHF) și o formă de undă de bandă largă, cu capabilități de interconectare în rețea (Wideband Networking Waveform – WNW) .

2.2.1. Single Channel Ground Air Radio System

Principalele caracteristici tehnice ale stațiilor radio SINCGARS sunt prezentate in tabelul 2.1. :

Tabel 2.1. Caracteristicile tehnice ale stațiilor radio SINCGARS

Single Channel Ground Air Radio System este un program demarat în USA în anul 1983 care urmărea construirea unor stații radio tactice rezistente la bruiaj și interceptare. Contractul de proiectare și construire a stațiilor a fost căștigat de frima ITT iar începănd cu anul 1988, General Dynamic a devenit al doilea contractor în cadrul acestui proiect. Stațiile radio SINCGARS au intrat în producția de serie începănd cu anul 1988. În prezent stațiile radio SINCGARS reprezintă principalul mijloc de comandă-control în armata SUA. Se estimează că au fost construite pănă în prezent un număr de 250.000 de stații radio SINCGARS .

Stațiile radio SINCGARS dispun de 3 regimuri de putere. Variantele vehiculare utilizează un amplificator de putere de RF extrem. Bătaia stațiilor radio in funcție de regimul de putere și de putere și de tipul de trafic utilizat este prezentat în tabelul de mai jos :

Tabel 2.2. Bătaia stațiilor radio SINCGARS în funcție de regimul de putere și de tipul traficului transmis

SINCGARS utilizează 3 tipuri distincte de forme de undă.Parametrii acestora și caracteristicile sunt prezentate mai jos :

Tabel 2.3. Forme de undă utilizate de către stațiile radio SINCGARS

Forma de undă W 1.1 este utilizată pentru transmiterea vocii analogice. W 1.2 este utilizatp pentru transmiterea semnalului vocal in format digital (CVSD la 16 kbps) și a traficului de date cu viteze între 75 – 16 kbps. W 1.3 este utilizată pentru modul de lucru salt de frecvență. In acest caz traficul util constă în semnal vocal în format digital sau transmiteri de date .

Dintre formele de undă prezentate anterior doar W 1.3 oferă protecție la detecție ( LPD), protecție la interceptare (LPI) si rezistență la bruiaj (A/J).

În cadrul formei de unda W 1.1, specificațiile tehnice JTRS prevăd și includerea formei de undă ESIP ( Enhanced SINCGARS – SINCGARS avansat). Acest tip de formă de undă crește capacitatea de interconectare în retele (acces multiplu, rutare, transmisii date în mod pachet etc.) a stațiilor radio SINCGARS.

Tabel 2.4. Caracteristicile ESIP

Cea mai importantă capabilitate a ESIP comparativ cu SINCGARS, constă în capacitatea de rutare IP. Practic stația radio poate acționa ca un router pentru INTERNETUL tactic.Pentru a permite implementarea practică a acestei capabilități, forma de undă a fost modificată astfel încăt să permită sincronizarea mai rapidă a stației radio în modul salt de frecvență (NCA, urmărire TOD, EOM). Totodată pentru a asigura o capacitate de transfer a rețelei îmbunătățită s-a utilizat o schemă de codare FEC superioară. Formele de undă ESIP au adus modificări formelor de undă W 1.2 și W 1.3 prin modificarea modului de prelucrare a semnalului în banda de bază.

2.2.2. Wideban Network Waveform

Acest tip de formă de undă WNW va permite interconectarea stațiilor radio in rețele wireless autoconfigurabile de bandă largă (MANET). Astfel de rețele permit stabilirea legăturilor peste limita vizibilității directe (BLOS) și nu au nevoie de stații de bază fixe pentru a funcționa. Fiecare stație radio din cadrul rețelei poate acționa ca releu pentru ceilalți membrii ai rețelei. Specificațiile tehnice pentru acest tip de formă de undă sunt în curs de elaborare. Principalele cerințe pentru WNW constau în :

Modulații avansate cu eficiență spectrală ridicată;

OFDM;

Rezistență la bruiaj;

Rezistență la interceptare.

Tabel 2.5. Caracteristicile WNW