Методи підвищення стійкості каналів радіозв’язку в умовах РЕБ

💡 Усі статті, обговорення, новини про оборонні технології — в одному місці. Приєднуйтесь до DefTech спільноти!

Останнім часом, попри впровадження ШІ та оптичних каналів зв’язку для захисту від РЕБ, використання класичних радіоканалів все ще залишається пріоритетним, особливо для малих FPV БПЛА, а також там, де необхідне пряме управління оператором. Завдання цієї статті — дати для непрофільних фахівців базові поняття з цієї теми, коротко показати плюси та мінуси кожної технології, а також стисло ознайомити з основними аспектами при розробці реального заліза.

На даний момент існує три головні напрями підвищення стійкості радіоканалів в умовах активних завад:

• Пряме розширення спектра псевдовипадковою послідовністю (DSSS)
• ППРЧ (FHSS)
• UWB

Пряме розширення спектра псевдовипадковою послідовністю

Розглянемо спрощену схему передавача й приймача, базові поняття, плюси та мінуси, а також основні принципи фізичної реалізації.

Вузол під назвою Primary modulation по суті є будь-яким вузькосмуговим передавачем (наприклад, ISM sub 900 MHz), після якого зазвичай іде підсилювач потужності та антена. Однак у випадку ШПС (шумоподібних сигналів) сигнал перед підсиленням додатково модулюється псевдовипадковою послідовністю, що має швидкість, яка значно перевищує швидкість вихідного інформаційного сигналу. Це призводить до значного розширення спектра передавача і, як наслідок, до зменшення спектральної щільності корисного сигналу

в ефірі.

На рисунку показано вихідний вузькосмуговий спектр сигналу періодом Ts, що займає смугу Bs, і той самий сигнал, який після модуляції псевдовипадковою послідовністю періодом Ts займає вже набагато ширший спектр Bc зі значно нижчою спектральною щільністю. Тут ми можемо сформувати ключове поняття ШПС -> База сигналу. Шумоподібними сигналами (ШПС) називають такі сигнали, у яких добуток ширини спектра Bc на тривалість Ts набагато більший за одиницю:

B = Bc * Ts >> 1

По суті, грубо можна сказати, що база — це відношення спектра псевдовипадкового модулювального сигналу до спектра вихідного корисного сигналу.

Легко помітити, що після розширення спектра відбуваються два дуже важливі моменти з погляду завадозахищеності та скритності:

1. Руйнується структура сигналу, внаслідок чого сигнал із будь-яким типом модуляції виглядатиме як шум на екрані аналізатора спектра.
2. Знижується спектральна щільність. Теоретично можна розширити спектр і, як наслідок, знизити спектральну щільність до такого рівня, коли наш сигнал стане нижчим за власні шуми приймача противника, тобто наш сигнал стане повністю невидимим на аналізаторі спектра.

На приймальній стороне все відбувається з точністю до навпаки. ШПС-сигнал з антени надходить на помножувач, що виконує математичну функцію множення та згортки. На другий вхід якого надходить та сама синхронізована псевдовипадкова послідовність, що й у передавачі, і з виходу перемножувача вже вузькосмуговий згорнутий сигнал надходить на інтегратор у вигляді нашого вузькосмугового приймача.

При згортці проявляється друга чудова властивість ШПС, яка полягає в тому, що наш корисний сигнал згорнеться, тобто стиснеться до вихідного спектра, а ось будь-яка інша некорельована несуча на вході (наприклад, сигнал РЕБ) буде розмазана по спектру так само, як наш корисний сигнал при передачі. В результаті ми отримаємо виграш сигнал/шум на величину бази сигналу B. Розглянемо це на прикладах.

Приклад 1

Смуга сигналу: 10 kHz

Рівень корисного сигналу на вході антени: —110 dBm

Чутливість приймача (BER 10^-3): —120 dBm при відношенні сигнал/завада 10 dB

Потужність сигналу РЕБ на частоті несучої на вході приймача: —100 dBm

Таким чином, завада перевищує корисний сигнал на 10 dB, а для коректної роботи приймачу потрібно забезпечити мінімальне відношення сигнал/завада порядку +10 dB. У класичній вузькосмуговій системі це означає необхідність підняти відношення сигнал/завада на 20 dB, що відповідає збільшенню потужності передавача в 100 разів. Наприклад, якщо передавач оператора видає 10 W, то для збереження зв’язку його довелося б збільшити до 1000 W, що практично нереалізовано.

З іншого боку, можна застосувати ШПС із базою сигналу B = 100, що дає виграш по обробці близько 20 dB за рахунок згортки.

Для цього необхідно розширити смугу сигналу в 100 разів — з 10 kHz до 1 MHz.

Приклад 2

Тут ми змоделюємо критичну ситуацію і визначимо, яка база сигналу необхідна.

Частота несучої: Fsig = 1 GHz

Дальність Оператор—FPV: Lop = 5 км

Потужність Оператора: Pop = 5 W

Дальність РЕБ—FPV: Lreb = 0.2 км

Потужність РЕБ: Preb = 50 W

Смуга вихідного сигналу: Wsig = 10 kHz

Необхідне S/N приймача (BER 10^-3): Drx = 10 dB

Посилення всіх антен: 0 dB

1. Розрахунок потужності сигналу на вході приймача (формула Фрііса) Формула: Prx = Ptx * (lambda / (4 * pi * R))^2 lambda = 0.3 м (для 1 ГГц)

Сигнал оператора: Pop_rx = 5 * (0.3 / (4 * pi * 5000))^2 Pop_rx = 1.14e-10 W (округлено −70 dBm)

Сигнал РЕБ: Preb_rx = 50 * (0.3 / (4 * pi * 200))^2 Preb_rx = 7.1e-7 W (округлено −30 dBm)

2. Реальне відношення сигнал/завада SP = −70 dBm — (-30 dBm) = −40 dB

3. Необхідне покращення S/J Необхідний рівень приймача: +10 dB Поточне значення: −40 dB D = 40 + 10 = 50 dB

4. Необхідна база сигналу B = 10^(50/10) = 100000

Необхідна смуга: Wspread = Wsig * B Wspread = 10 kHz * 100000 = 1 GHz

Далі ми обговоримо реалізацію заліза на основі даних, отриманих у прикладах вище. Головні проблеми та реальні можливості реалізації.

Апаратна частина у продовженні....

Підписуйтеся на WhatsApp-канал DefTech спільноти!