STUDYING EFFECTIVENESS OF CHANNEL JAMMING PROTECTION IN AERONAUTICAL RADIO COMMUNICATIONS
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department of Telecommunications)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Astrakhan State Technical University
(Student of the direction “Infocommunication Technologies and Communication Systems”)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 48
to 53
Status:
Published
Received:
16.09.2022
Accepted:
20.10.2022
Published:
25.10.2022
Subject area:
UDK 621.391 Работы общего и обзорного характера. Общая теория связи. Кибернетика (теория информации и теория сигналов применительно к электросвязи)
Language:
Russian
Keywords:
radio communication, pseudorandom frequency changing, jamming protection, signal/noise ratio, digital methods of information transmission
Abstract (English):
When performing aviation flights the high-quality and reliable communication with the control room becomes important for ensuring the crew safety. The purpose of the study is to investigate the quality of aviation radio communication in different methods of information transmission for developing the technical solutions of radio communication perfection. The equipment used today is designed for instant selection of preset channels and data exchange at fixed operating frequencies of ground control points with aircraft radio equipment in the meter and decimeter ranges. The most important requirement for the aviation radio communication systems is to ensure a high level of noise immunity including protection against active interference. There is considered the process of frequency changing, or frequency hops, as the most successful at the first stage of the study in order to find the least interference-prone operating frequency. The use of pseudorandom frequency changing of radio communication between the ground control points and aircraft radio equipment is studied as one of the ways of leveling interference effects. To increase the stability of the radio line, it is necessary to use digital methods of information transmission. The use of digital methods of encoding information leads to low-level errors in the processes of discretization, modulation, amplification, demodulation and filtering. Due to this, nonlinear quantization allows for a higher level of signal-to-noise ratio. With a constant power level of the transmitter it is possible to carry out stable communication even at higher values of the signal-to-interference ratio, which generally leads to the increasing radio transmission range. Using highly robust coding methods, the probability of error can also be reduced. There are studied different parameters reflecting the quality of information transmission over the radio channel: speech intelligibility, probability of erroneous reception of symbols. Thus, the digital methods of information transmission have higher noise immunity compared to the analog ones, even without special protection measures. Using special measures (noise-proof coding, pseudorandom frequency changing) can significantly increase the jamming protection of the radio communication system.
When performing aviation flights the high-quality and reliable communication with the control room becomes important for ensuring the crew safety. The purpose of the study is to investigate the quality of aviation radio communication in different methods of information transmission for developing the technical solutions of radio communication perfection. The equipment used today is designed for instant selection of preset channels and data exchange at fixed operating frequencies of ground control points with aircraft radio equipment in the meter and decimeter ranges. The most important requirement for the aviation radio communication systems is to ensure a high level of noise immunity including protection against active interference. There is considered the process of frequency changing, or frequency hops, as the most successful at the first stage of the study in order to find the least interference-prone operating frequency. The use of pseudorandom frequency changing of radio communication between the ground control points and aircraft radio equipment is studied as one of the ways of leveling interference effects. To increase the stability of the radio line, it is necessary to use digital methods of information transmission. The use of digital methods of encoding information leads to low-level errors in the processes of discretization, modulation, amplification, demodulation and filtering. Due to this, nonlinear quantization allows for a higher level of signal-to-noise ratio. With a constant power level of the transmitter it is possible to carry out stable communication even at higher values of the signal-to-interference ratio, which generally leads to the increasing radio transmission range. Using highly robust coding methods, the probability of error can also be reduced. There are studied different parameters reflecting the quality of information transmission over the radio channel: speech intelligibility, probability of erroneous reception of symbols. Thus, the digital methods of information transmission have higher noise immunity compared to the analog ones, even without special protection measures. Using special measures (noise-proof coding, pseudorandom frequency changing) can significantly increase the jamming protection of the radio communication system.
Keywords:
radio communication, pseudorandom frequency changing, jamming protection, signal/noise ratio, digital methods of information transmission
radio communication, pseudorandom frequency changing, jamming protection, signal/noise ratio, digital methods of information transmission
Введение
Выполнение полетов авиации связано с важными факторами обеспечения их безопасности. Основой безопасности, как правило, является обеспечение надежного управления полетами и диспетчерского контроля передвижения воздушных судов.
В настоящее время ситуация с ведением авиационной радиосвязи не отвечает высоким требованиям оперативности при принятии решений в экстремальной ситуации. Одной из систем авиационной радиосвязи, применяемой в настоящее время, является радиостанция, предназначенная для ведения беспоисковой и бесподстроечной радиосвязи и обмена данными на фиксированных рабочих частотах наземных пунктов управления с радиосредствами летательных аппаратов в метровом и дециметровом диапазонах. Важнейшим требованием к системам авиационной радиосвязи является обеспечение высокого уровня помехозащищенности.
В настоящее время сообщения передаются
в цифровом виде, а речевая информация – в аналоговом режиме с использованием амплитудной модуляции. Важнейшим требованием к системам авиационной радиосвязи является обеспечение высокого уровня помехозащищенности.
Помехозащищенность – способность радиосистемы обеспечивать передачу информации с требуемым качеством при возможном воздействии организованных помех.
Помехозащищенность подразумевает наличие двух свойств: скрытность – способность радиосистемы излучать сигнал в течение заданного времени и заданной вероятностью не обнаружения факта работы радиосистемы противником; помехоустойчивость – способность радиосистемы противостоять мешающему воздействию помех, т. е. осу-ществлять передачу сигнала с заданным показателем качества. Одним из вариантов реализации высокой защищенности канала связи может быть использование псевдослучайной перестройки частоты, положительно влияющей на помехозащищенность передачи информации.
Сравнительная оценка помехозащищенности аналоговых и цифровых систем связи
Для исследования помехоустойчивости следует задаться необходимым соотношением сигнал/шум на выходе приемного тракта.
Каналы связи для передачи телефонного сигнала должны обеспечивать сохранение разборчивости речи из натуральности речи и натуральности ее звучания. Разборчивость речи характеризуется разборчивостью звуков D или слов W. Существующие классы качества речи приведены в таблице.
Классы качества речи
Speech quality classes
Класс
качества Характеристика класса качества Нормы разборчивости, %
звуков D слов W
I Понимание передаваемой речи без малейшего напряжения внимания 91 и более 98 и более
II Понимание передаваемой речи без затруднений 85–90 94–97
III Понимание передаваемой речи с напряжением внимания без
переспросов и повторений 78–84 89–93
IV Понимание передаваемой речи с большим напряжением внимания, переспросами и повторениями 61–77 70–88
V Полная неразборчивость связного текста, срыв связи 60 и менее 69 и менее
Для безаварийного производства полетов необходимо обеспечение полной разборчивости слов,
т. е. следует обеспечить класс качества I.
При белом шуме зависимость разборчивости звуков от отношения мощностей сигнал/шум в полосе телефонного сигнала 300–3 400 Гц показана на рис. 1 [1].
Рис. 1. Зависимость разборчивости речи
от отношения мощностей сигнал/шум
Fig. 1. Dependence of speech intelligibility
on signal-to-noiseratio
Таким образом, для обеспечения понимания передаваемой речи без малейшего напряжения внимания D = 98 % необходимо отношение мощностей сигнал/шум что соответ-ствует соотношению сигнал/шум в абсолютных единицах
На входе приемника соотношение сигнал/шум должно быть не менее данной величины (15,8) [2].
Соотношение сигнал/шум может быть вычислено по формуле
, (1)
где Рс – мощность сигнала на входе приемника, Вт; N0 – спектральная плотность шума на входе приемника, Вт/Гц; F – ширина спектра сигнала, Гц.
Мощность сигнала определяется соотношением
,
где Рпрд = 40 Вт – мощность передатчика;
Gпрд = Gпрм = 1 – коэффициенты направленного действия передающей и приемной антенн; = 3 м – длина волны несущего колебания; R = 100 км – дальность радиосвязи; L0 = 3 – коэффициент дополнительного ослабления.
При заданных исходных данных
Спектральная плотность шума на входе приемника определяется выражением
,
где k = 1,38 10–23 Вт/ Гц – постоянная Больцмана;
Тш = 1 000 К – шумовая температура, складывающаяся из эквивалентных шумовых температур
антенны, атмосферы, космических источников, Земли и др.
Полоса речевого сигнала составляет 300–3 400 Гц, таким образом, F = 3 100 Гц. Для передачи сигнала необходимо обеспечить полосу радиоканала
не менее 6 200 Гц.
С учетом выражения (1) при отсутствии организованных помех соотношение сигнал/шум на входе приемника составит
,
что говорит о достаточно высоком качестве приема сигнала. Запас по помехам составляет
Однако при наличии организованных помех ситуация меняется коренным образом. Для полного заглушения связи необходимо обеспечить соотношение сигнал/шум на выходе 2 = 0,25 (абс. ед.), или
При использовании в передатчике помех слабонаправленной антенны с диаграммой направленности 60 60 угловых градусов (Gпрд = 10) на дальности Д = 100 км необходимая мощность передатчика составит [3]
Таким образом, наличие активных помех делает радиосвязь уязвимой. Для повышения помехозащищенности применяются специальные меры, например, псевдослучайная перестройка частоты. Повышения помехоустойчивости можно добиться путем использования цифровой передачи речи
с применением фазовой манипуляции сигнала.
В системах цифровой передачи информации большинство операций сводится к процедурам, в основе которых лежат простейшие логические операции типа «да-нет», «и», «или», поэтому такие важнейшие этапы преобразований сообщений и сигналов, как дискретизация, кодирование, модуляция, усиление, демодуляция и фильтрация, могут быть осуществлены с очень малыми погрешностями.
Аналого-цифровое преобразование сигнала заключается в дискретизации сигнала по времени и квантовании по уровню. Частота дискретизации должна быть не менее удвоенной максимальной частоты спектра сигнала. При дискретизации речевого сигнала принимается частота дискретизации Fд = 8 кГц. Нелинейное квантование (компандирование) позволяет обеспечить 256 уровней квантования, т. е. 8 разрядов. Таким образом, передаваемое сообщение представляет собой последователь-ность 8-разрядных двоичных слов, следующих
с частотой 8 кГц. Полоса передаваемого сигнала составит F = 64 кГц.
При использовании оптимального приема с интегратором в цепи обработки сигнала соотношение сигнал/шум для цифрового сигнала определяется выражением
где – длительность тактового интервала, с.
При расчетной мощности передатчика (40 Вт) соотношение сигнал/шум уменьшилось, однако для цифрового сигнала требования к качеству приема другие.
Оценка помехоустойчивости цифровой системы передачи заключается в расчете вероятности ошибочного приема символов [4]. Данную вероятность можно вычислить по формуле
,
где (x) – интеграл вероятностей.
Зависимость вероятности ошибочного приема от соотношения сигнал/шум представлена на рис. 2, где р – вероятность ошибочного приема символа,
Еб – энергия символа на входе приемника, Вт/Гц.
Рис. 2. Зависимость вероятности ошибочного приема символа
от соотношения сигнал-шум для фазовой манипуляции [5]
Fig. 2. Dependence of false symbol reception on signal-to-noise ratio for phase modulation [5]
Считается, что для бесперебойной работы канала необходимо обеспечить вероятность ошибочного приема pош = 10–6, что соответствует соотношению сигнал/шум 2 = 11. При отсутствии организованных помех данное соотношение выполняется. При использовании помехоустойчивого кодирования вероятность pош может быть снижена до 10–4, что соответствует соотношению сигнал/шум 2 = 7.
Мощность передатчика для подавления радиоканала при рассмотренном ранее сценарии определяется соотношением
Таким образом, для подавления цифрового канала связи при равных условиях требуется большая мощность передатчика помех, чем для подавления аналогового канала. Это подтверждает факт высокой помехоустойчивости цифровых каналов связи и для рассматриваемых систем в том числе.
Заключение
Из проведенных расчетов можно сделать вывод, что цифровые методы передачи информации обладают более высокой помехозащищенностью по сравнению с аналоговыми даже без примене-ния специальных мер защиты. Применением спе-циальных мер, таких как помехозащищенное ко-дирование и псевдослучайное переключение ча-стоты, можно значительно повысить помехоза-щищенность системы радиосвязи. Отсюда следует вывод о целесообразности передачи речевой информации в цифровом виде. Данное предложение может быть реализовано в существующих системах радиосвязи путем их несложной модернизации с учетом того, что авиационные радиостанции имеют каналы передачи телекодовой информации, которые могут быть доработаны для передачи речи.
1. Teplyakov I. M., Fomin A. I., Roschin B. V., Vey-cel' V. A. Radiosistemy peredachi informacii. M: Radio i svyaz', 1982. 264 s.
2. Kruhmalev V. V., Gordienko V. N. i dr. Osnovy postroeniya telekommunikacionnyh sistem i setey. M.: Goryachaya liniya - Telekom, 2004. 510 s.
3. Veycel' V. A. Radiosistemy upravleniya. M.: Drofa, 2005. 416 s.
4. Lebed'ko E. G. Teoreticheskie osnovy peredachi informacii. SPb.: Lan', 2011. 349 s.
5. Vasin V. A., Kalmykov Yu. N. Radiosistemy peredachi informacii. M.: Goryachaya liniya - Telekom, 2005. 471 s.
6. Pischin O. N., Kalambackaya O. V. Osobennosti rasprostraneniya radiovoln UVCh diapazona v prizemnom i privodnom troposfernom volnovode // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2019. № 4. S. 115-121.
