|
|
| Разместил: |
starche  |
|
|
На форуме "Радиосигналы" в теме "Модемы на КВ" в последнее время велись активные дебаты о преимуществах и недостатках разных модемов, используемых на КВ для передачи со скоростями 2400 бит/сек и более. Форумные рамки не позволяют обстоятельно, подробно и доказательно излагать материал. К тому же эти дебаты могут быть интересны не всем форумчанам. Поэтому мне представляется вполне разумным изложить свою точку зрения в виде статьи. Прочтет только тот, кому это интересно.
Известно, что основными задачами, выполняемыми модемом, являются модуляция - преобразование потока символов, поступающего от источника, к виду, пригодному для передачи по используемому каналу связи и демодуляция - преобразование сигнала с выхода канала связи в поток символов, подаваемый потребителю. Помимо основных задач на модем стали возлагаться контроль за состоянием канала и вхождение в связь.
В простейшем случае модем должен был сигнализировать потребителю о наличии или отсутствии сигнала на выходе канала. В известном интерфейсе RS-232 для этого предусмотрена специальная цепь "обнаружение несущей". При работающем обратном канале модем способен участвовать в установлении соединения с другим модемом посредством передачи испытательных комбинаций, по анализу которых в обратном направлении передаются сигналы, устанавливающие вид и скорость модуляции и другие параметры модулятора. При работе по коммутируемым телефонным каналам процедура установления связи дополняется так называемым "дозвоном" - составлением телефонного канала.
Обычно модуляция и демодуляция не обеспечивают требуемую помехоустойчивость, и в системе связи используются различные процедуры повышения верности. К ним относятся перемежение, дублирование символов, кодирование с исправлением ошибок (FEC), кодирование с обнаружением ошибок, автозапрос обнаруженных ошибок (ARQ), адаптивное изменение режима модуляции и ряд других. Часть из этих процедур изначально выполнялась в модеме, например FEC и перемежение, а также дублирование символов по подканалам OFDM-модема. С течением времени интеллектуальные возможности модема расширялись, и современные модемы часто способны реализовывать алгоритмы ARQ, и адаптации модулятора.
Естественно, что набор выполнимых интеллектуальных функций в значительной степени зависит от специфических особенностей системы связи, в которой используется модем. В дуплексной или полудуплексной системах, в которых необходимым компонентом является обратный канал, набор этих функций самый широкий. В симплексных системах, в которых обратный канал отсутствует или не используется, набор новых функций фактически сводится к использованию кодирования с перемежением и исправлением ошибок, а в OFDM-модеме еще и к дублированию символов по подканалам.
Итак, современный модем - достаточно сложное техническое устройство, выполняющее наряду с модуляцией-демодуляцией ряд интеллектуальных системных функций. Для внесения ясности появились рекомендации использовать другой термин для устройств без этих функций. "Кондовые" модемы теперь
часто "понижаются в звании" и называются устройствами преобразования сигнала (УПС).
Разработчикам современных устройств приходится решать ранее вовсе не актуальные задачи совместной оптимизации компонентов модема. Одной из таких задач безусловно является соотношение скорости, обеспечиваемой процедурами модуляции-демодуляции, и эффективности помехоустойчивого кодирования. Последняя напрямую зависит от избыточной информации, которую можно ввести при кодировании. Но избыточность либо снижает результирующую скорость, либо требует от модулятора повышения скорости с неизбежным снижением качества демодуляции. Далее этот вопрос будет рассмотрен подробнее.
В настоящее время в процедурах модуляции-демодуляции скоростных КВ модемов наиболее часто используют два типа преобразований сигнала. Исторически первым стало частотное уплотнение используемой полосы пропускания канала. Сейчас чемпионом по эффективности использования полосы является OFDM-модем. При его посредстве сравнительно легко (с приемлемой помехоустойчивостью) обеспечиваются удельные скорости передачи порядка 2 бит/(сек.Гц). При этом даже без использования кодирования обеспечивается помехоустойчивость, приемлемая для некоторых источников информации, например, для вокодера. Другим типом преобразований сигнала является высокоскоростная манипуляция одной поднесущей с адаптивным устранением на приеме возникающих при этом межсимвольных искажений и влияния временнОго рассеяния канала. Этот тип преобразований вошел в практику значительно позднее, но развивался интенсивнее и в настоящее время опережает первый по уровню обобщения мировой практики, сконцентрированного в общепризнаваемых американских и европейских стандартах. Проявляется это, в частности и в том, что почти все одноканальные модемы разработаны с учетом требований стандартов, а многоканальные существенно отличаются друг от друга и, как правило, несовместимы.
Немного истории. Более подробно об этом можно прочесть в двух статьях:
http://www.radioscanner.ru/info/article238 и http://www.radioscanner.ru/info/article242.
Эпоха применения на КВ скоростных модемов началась в конце 50-х годов. Первым из серийных был многоканальный американский OFDM-модем Kineplex TE-202. Немногим позже появился наш модем, входивший в состав аппаратной Булава и обеспечивавший работу вокодера со скоростью 1200 бит/сек. Характерным признаком этого модема был провал в средней части спектра. Первые публикации о работоспособном лабораторном образце американского одноканального модема Adapticom появились в конце 60-х годов. Первым нашим серийным одноканальным модемом стал Накладчик - это уже рубеж 80-90-х годов.
В наше время выпускается и продается скорее программное обеспечение, а не аппаратная реализация устройств. В эфире наблюдается великое множество самых разных одноканальных и многоканальных сигналов. Существуют и уже упоминавшиеся стандарты европейские, американские и др. Объять необъятное невозможно, а вот поговорить о стандартах на мой взгляд имеет смысл.
Немного о стандартизации
Ограничимся одним из стандартов, а именно - MIL-STD-188-110B. Известно, что в нем прописаны инструкции по реализации как одноканальных, так и многоканальных режимов, но основными безусловно являются одноканальные. Более того, многоканальные относятся к необязательным (optional) режимам. К таким же необязательным относятся одноканальная прередача со скоростями более 2400 бит/сек, включая экзотические на сегодня сверхскоростные одноканальные режимы, использующие многократную квадратурно-амплитудную модуляцию (КАМ).
Поучительно пофантазировать на тему как рождался этот документ. Наверняка перед разработчиками стояла достаточно общая задача узаконить способы и средства практически безошибочной передачи по КВ каналам различного рода информации с приемлемыми скоростными характеристиками. Вполне возможно, что был указан и ряд типовых технологических (без потерь на повторную передачу) скоростей. Впрочем, этот ряд мог быть выбран и самими разработчиками стандарта. Суть не в этом. Одним из первых шагов должен был стать выбор процедуры модуляции-демодуляции. Выбрана была одноканальная процедура. Смею предположить, что этот выбор был произведен в то время, когда кубометры, килограммы и киловатты имели важное (если не решающее) значение, то есть выбор был произведен в эпоху господства аппаратных методов реализации. В то время существовавшие тогда одноканальные модемы (они же - УПС) по указанным критериям были предпочтительными. Выбор был сделан.
А дальше потянулась цепочка вынужденных решений, каждое из которых имело определенные недостатки, преодоление которых требовало дополнительных усилий. Проследим эту цепочку.
Одноканальные устройства требуют извлечения из сигнала дополнительной информации о состоянии канала. Эта информация может извлекаться непосредственно из рабочего сигнала (без внесения избыточности) или из анализа избыточных символов, форма которых известна на приеме. Естественно, что второй путь обеспечивает большую точность оценок и, как следствие, меньшее время сходимости адаптационного алгоритма. Оба эти качества, как свидетельствуют сами разработчики, чрезвычайно важны.
При разработке стандарта, разумеется, был выбран второй путь. А какой избыточности достаточно? Как часто необходимо передавать испытательные сигналы и какой длительности должен быть каждый из них?
Несомненно, что для ответа на эти вопросы были проведены специальные исследования, которые показали, что испытательный сигнал должен длиться порядка 8 мсек и передаваться с периодичностью порядка 20 мсек, что и было зафиксировано в стандарте для скоростей 2400 и 4800 - 16 испытательных импульсов на 32 рабочих при скорости манипуляции 2400 Бод. Итак, первая неприятность - необходимость на половину увеличить технологическую скорость.
Как же обеспечить это увеличение скорости? Укорочением посылки - трудновато, так как существенно возрастут межсимвольные помехи, с которыми в одноканальных модемах и без того трудно. Кроме того, как будет показано ниже, с увеличением скорости манипуляции возрастает пикфактор одноканального сигнала, что неизбежно снижает излучаемую мощность. Остается увеличить кратность манипуляции, то есть количество вариантов сигнала. А до какой величины? Подсчитать не трудно. При технологической скорости 4800 с учетом избыточности на испытательные символы необходима скорость в канале 7200. А это уже 3 крата, то есть 8 вариантов фазы. Напомню, что в многоканальных модемах (но не в стандартизованном), в которых не нужны испытательные символы, скорость 4800 с легкостью обеспечивается при двукратной манипуляции (4-х вариантах фазы). Заглянув в святцы (например, книжку Ю.Б.Окунева Теория фазоразностной модуляции), нетрудно увидеть, что при релеевских замираниях энергетический проигрыш перехода от двукратной к трехкратной составляет 5 дБ. При райсовских замираниях этот проигрыш еще выше.
Интересно сопоставить приемы, обеспечивающие работоспобность различных процедур модуляции-демодуляции в КВ каналах.
При использовании многочастотных сигналов вполне достаточным оказывается введение защитного интервала (мне не нравится термин "циклический префикс"). Если удается выбрать его длительность более максимального времени запаздывания лучей, то функционирование модема становится практически инвариантным к изменению интенсивностей и времени запаздавания лучей. Платой за это является снижение скорости манипуляции, которое можно сделать приемлемо малым, увеличивая число частотных подканалов. В частности, в стандартизованном 39-тоновом модеме при длительности посылки 22,5 мсек длительность защитного интервала выбрана равной почти 4,5 мсек, что приводит к снижению скорости передачи примерно на 20%. При использовании одноканальных сигналов 33% из всех передаваемых импульсов являются испытательными, и для обеспечения требуемых технологических скоростей передачи приходится применять трехкратную манипуляцию. При этом обязательной остается процедура адаптации к структуре многолучевости, оценки которой должны обновляться каждые 20 мсек.
Принципиально скорость 2400 бит/сек в одноканальном модеме можно было бы обеспечить и при двукратной манипуляции, но этого не сделано уже по другой причине.
Что же еще? Для обеспечения нужной помехоустойчивости необходимо использовать кодирование. Оно бывает с исправлением ошибок (FEC) и с обнаружением ошибок, что можно использовать для автозапроса пораженных ошибками блоков (ARQ). Хорошее исправление возможно только при кодах с большой избыточностью. Хороший автозапрос может обеспечить практически безыскаженную передачу, но требует обратного канала, внесения избыточности и сопровождается переменными временнЫми задержками. Очевидно, нужны оба вида кодирования.
Вообще говоря, кодирование-декодирование - это не модемное дело. Но в стандарте прописано, что кодирование с исправлением должно быть встроено в модем. Это решение представляется правильным, так как позволяет более успешно применять модем на однонаправленных или циркулярных КВ радиолиниях, где использование автозапроса невозможно. Очевидно, были проведены специальные исследования по определению избыточности, минимально достаточной для исправления ошибок с требуемой надежностью
(вероятностью пропуска ошибки). В стандарте для скорости 2400 прописали величину избыточности 0,5, то есть один проверочный символ на каждый информационный.
В итоге получили: одноканальный модем должен использовать трехкратную манипуляцию со скоростью 2400 Бод, обеспечивая тем самым в канале скорость 7200 бит/сек. Из этой скорости 2400 бит/сек тратится на передачу испытательных символов. В остатке имеем 4800 бит/сек, что предписано использовать либо для передачи со скоростью 4800 бит/сек без кодирования (uncoded - по забугорному), либо для передачи со скоростью 2400 бит/сек с кодированием.
Напомню, что в многоканальных модемах (но не в стандартизованном) скорость 2400 реализуется при двукратной манипуляции с использованием либо кодирования, аналогичного тому, что прописан для одноканального, либо двукратного внутриполосного (inband) частотного разнесения. То есть и режим 4800, и режим 2400, прописанные для одноканального модема, явно хуже таких же по скорости режимов в многоканальном модеме.
На форуме некоторыми участниками часто подчеркивалось, что потребителя интересуют показатели не
отдельно взятой процедуры модуляции-демодуляции, а всего модема с учетом кодирования. Но одна и та же процедура кодирования может применяться как в многоканальном, так и в одноканальном модемах. Поэтому есть все основания предполагать, что превосходство многоканального модема на скоростях 2400 и 4800 бит/сек сохранится и при применении кодирования.
Имеется по крайней мере одно экспериментальное подтверждение этого превосходства. К великому сожалению это подтверждение невозможно получить в интернете. Оно содержится в докторской диссертации Б.И.Николаева, представленной к защите в Ленинградском электротехническом институте связи им.проф.М.А.Бонч-Бруевича в 1992 году. Б.И.Николаев является ведущим в нашей стране специалистом по однаканальной передаче. На него часто ссылались и участники форума. Основу диссертации составляет изданная им в 1988 году монография "Теория и методы последовательной передачи дискретных сообщений по непрерывным каналам с памятью" (так же называется и диссертация). О диссертационных результатах я упоминал на форуме. Есть они и в моих статьях. Результаты были получены в 1989 году, то есть после опубликования книги. Здесь ограничусь только прямым подтверждением превосходства многоканального модема. Одновременно на трассе испытывались три типа модемов. Два из них были одноканальными - Накладчик (разр. ОНИИП) и лабораторный образец, разработанный под руководством Б.И.Николаева. Третьим был давно серийный многоканальный модем АТ-3004Д. На скорости 1200 бит/сек характеристики всех трех модемов были сопоставимы, а на скорости 2400 бит/сек многоканальный заметно превосходил оба одноканальных.
Закончим на этом фантазирование на тему рождения стандарта и перейдем к другим вопросам, обсуждавшимся на форуме. Особо выделим следующие:
-корректность и обусловленность задачи адаптации,
-критерии эффективности модемов,
-пикфактор сигналов,
-тестирование модемов.
Корректность задачи адаптации
Если говорить по-простому, то мнение некоторых участников дискуссии было таким. Если надлежащим образом позаботиться о повышении точности измерений текущих параметров канала, а также использовать наилучшие на сегодня алгоритмы адаптации, то никаких проблем при использовании одноканальных модемов быть не должно. Никаких подтверждений, кроме личных наблюдений и упования на содержание стандартов по сути не приводилось. Но в науке, как известно, положительные результаты, сколько бы их не было, не могут служить доказательством ни одной гипотезы, а вот даже одного отрицательного вполне достаточно для предания этой гипотезы забвению. Сам я никогда не занимался разработками или испытанием одноканальных модемов. За свою более, чем 30-летнюю практику трассовых испытаний мне ни разу не удалось непосредственно сравнить эффективности многоканальных (моих) и одноканальных модемов по той простой причине, что одноканальные модемы на испытания не выставлялись, хотя и должны были (по условиям договоров). У меня нет личных свидетельств того, что адаптация в реальных каналах не всегда выполнима и я не располагаю свидетельствами других. Но у меня есть представляющиеся мне вполне обоснованными п о д о з р е н и я по поводу выполнимости адаптации. Эти подозрения в ходе дискуссии либо не обсуждались, либо отвергались примерно по такой формуле: "это к делу не относится", а то и "этого не может быть никогда". Попробую изложить их еще раз с максимально возможной для меня убедительностью.
Адаптация в одноканальном модеме, если опять сказать по-простому, это выполнение некоторого математического алгоритма, в котором в качестве констант используются результаты оценок параметров канала, таких как количество и интенсивность лучей, их времена запаздывания и др. Коль скоро вместо констант используются их оценки, решаемая задача из департамента чистой математики передается в департамент прикладной математики, что влечет некоторые последствия. Наиболее неожиданным и самым неприятным из последствий является то, что даже самые примитивные задачи, будучи переведенными в департамент прикладной математики, не всегда могут быть достаточно точно решены.
В качестве примера в одной из упомянутых выше статей я привел задачу нахождения координат точки пересечения двух прямых. Упоминал об этом и на форуме. Известно, что в чистой математике эта задача имеет точные решения при любом угле между прямыми, кроме равного нулю (прямые параллельны). А в прикладной математике, то есть в той, которая только и должна нас интересовать, эта задача не имеет т о ч н о г о решения в некоторой угловой зоне "почти параллельности" прямых. Погрешности решения растут с ростом неточности оценок параметров прямых (что вполне понятно), но величина погрешности в зоне "почти параллельности" может в р а з ы и н а п о р я д к и превышать сам результат, получаемый при точных оценках. Этот пример кому-то может показаться неубедительным и даже "высосанным из пальца", но всякий, кто когда-то изучал начертательную геометрию, неоднократно сталкивался с описанными трудностями. Если уж решение системы из двух линейных уравнений с двумя неизвестными не всегда возможно с приемлемой точностью, то что уж говорить о существенно более сложных задачах.
Итак, мы должны принять за аксиому, что н е в с е прикладные задачи, использующие оценки текущих параметров, могут иметь удовлетворительное по точности решение. Можно сказать больше - в с е такие
задачи должны априори подозреваться на возможность неудовлетворительного по точности решения.
В зависимости от математического содержания таких задач в прикладной математике они называются некорректными или плохо обусловленными, а сама прикладная математика включает специальные разделы, в которых изучаются способы решения некорректных и плохо обусловленных задач. Одним из характерных признаков этих задач является нарушение важнейшего принципа, обеспечивающего точность решения, - малым приращениям исходных данных должны соответствовать малые приращения решения.
Кстати, возможность возникновения ситуации, в которой адаптация окажется невозможной, косвенно признается участником asv - основным отвергателем идеи некорректности задачи адаптации. Вот цитата из его сообщения на форуме от 2 мая: "Смысл примера был в том, что для любой последовательности с периодом L можно изобрести такую ИХ канала длины L, что выход канала обратится в нуль (кроме первых и последних L-1 символов). А в случае наличия аддитивного шума можно уже не требовать, чтобы эта ИХ была реализована точно. Это соображение, в числе прочих, диктует структуру КВ сигналов передачи данных, в том числе и одноканальных".
Вполне законен вопрос. Как же устройства, в которых решаются некорректные задачи, могут предписываться стандартами и как же они работают на реальных каналах? Этот вопрос в саркастическом тоне поднимался и на форуме. Здесь ограничусь краткими комментариями, более подробно поговорим об этом ниже. По моему мнению сбои демодулятора при испытаниях на имитаторе не наблюдаются потому, что осознанно или неосознанно стандартом избраны такие модели канала и такие отношения сигнал/шум, при которых эти сбои не происходят. Например, для обеспечения вероятности ошибки 0,001 при скорости 2400 бит/сек, запаздывании второго луча 2 мсек, допплеровском рассеянии 5 Гц считается нормальным устанавливать отношение сигнал/шум равным 30 дБ.
При работе на реальных каналах сбои несомненно возникают, но осознанно или неосознанно предполагается, что причиной их возникновения явилось, например, "резкое и кратковременное ухудшение состояния канала".
Подведем итоги этого раздела. Особенностью функционирования одноканальных модемов является необходимость адаптации демодулятора к меняющемуся состоянию канала связи. При адаптации необходимо производить оценку параметров канала. Поскольку любая, даже "самая точная" оценка производится с погрешностями, то адаптация по определению не всегда может быть выполнена с требуемой точностью. Результатом некачественной адаптации может явиться сбой алгоритма демодуляции с выдачей пакета ошибочно демодулированных символов. Заметим, что никаких подобных проблем в многоканальном модеме не возникает.
Пикфактор сигналов
Это, пожалуй, самое израненное место у сторонников многоканальных сигналов. Разве что только очень ленивый не колол в это место, и колят уже порядочное время. Но, как оказалось, не все так просто и не все так плохо. Об этом на сайте имеется специальная статья в http://www.radioscanner.ru/info/article240. Поэтому ограничимся краткими комментариями и новым (вспомненным) материалом.
Немного истории. Вот как по этому вопросу менялось мнение апологетов одноканальных методов с течением времени.
1. В типичных КВ радиопередатчиках ограничена пиковая мощность, поэтому средняя мощность в одном канале многоканального модема в N^2 раз меньше средней мощности одноканального сигнала (N - число подканалов).
2. Извините, подзабыл, что помехоустойчивость определяется отношением не мощностей, а энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума. Согласен с тем, что отношение мощностей надо умножить на базу сигнала (произведение полосы на длительность). В одноканальном база ~1, а в многоканальном ~N.
Т.е. проигрыш по энергии равен только N.
3. Еще раз pardon. Конечно в одноканальном средняя мощность меньше номинальной мощности передатчика. Ведь чтобы не выйти за полосу канала фронты сигнала надо скруглять. Т.е. проигрыш < N.
4. Вынужден согласиться с тем, что выбросы сигнала в многоканальном модеме могут быть ограничены на входе передатчика, и это не приведет к заметному ухудшению помехоустойчивости т.к. все образующиеся продукты нелинейности будут в эфире замирать одновременно с пораженным ими сигналом без ухудшения отношения сигнал/нелинейная помеха. (Еще немного отыграли в энергии.)
5.Вынужден также согласиться и с тем, что подбор начальных фаз подканальных сигналов с соответствующей коррекцией уровня на входе передатчика также способен увеличить энергию этих сигналов.
Некоторые из пунктов требуют пояснений.
Вопросы, затронутые в п.3, обсуждались в упомянутой выше монографии Б.И.Николаева и в моей статье, опубликованной в журнале Радиотехника N7, 1991 г. Статью, аналогичную моей по содержанию и результатам, позже встретил в американском журнале, но автора и другие данные этой статьи не упомню. У Николаева даже приводится утверждение, что при манипуляции со скоростью Найквиста (т.е. 3100 Бод) пиковый выброс сигнала теоретически может стать бесконечным, а уменьшение скорости манипуляции в одноканальном модеме способствует уменьшению пикфактора его сигнала.
Отмечу еще один характерный факт. Известный законодатель мод в авионике американская фирма ARINC в Спецификации 635 (аналог стандарта) от 1995 г. прописала для передачи на КВ с борта на Землю применение одноканального модема с параметрами, похожими на Mil-Std, но со скоростью 1800 Бод. Так там прямо указано "для уменьшения внеполосных излучений используется косинусное скругление спектра в полосе 300-2600, в результате чего пикфактор сигнала достигает величины 5 дБ".
По п.4 - Во всех многоканальных модемах, разработанных и (или) испытанных с моим участием, использовалось ограничение пиков сигнала на входе радиопередатчика. Каких-либо ухудшений от этого мы не наблюдали.
По п.5 - При аппаратной реализации модема установка выбранных значений начальных фаз подканальных сигналов была сопряжена с большими техническими трудностями, и, насколько мне известно, не применялась. При программной реализации никаких трудностей не возникает. Отметим, что в Mil-Std -188-110B app.B, в котором прописываются параметры 39-тонового OFDM-модема, нормируются значения начальных фаз на этапе вхождения в связь. Зачем это нужно - не поясняется. Но несомненно, что это нормирование влияет на величину пикфактора.
А теперь займемся подсчетами. Сравним энергетические потери из-за пикфактора 20-ти канального модема и одноканального, работающего со скоростью манипуляции 2400 Бод. Сравнивать оба модема будем относительно одноканального низкоскоростного модема, у которого средняя излучаемая мощность равна номинальной мощности радиопередатчика.
При отсутствии ограничения многоканального сигнала на выходе модулятора энергетический проигрыш модема, как отмечалось, равен 20, т.е. 13 дБ. Нетрудно подсчитать (как это, например, сделано в нашей книжке "Аппаратура передачи дискретной информации МС-5", изданной в 1970 г.) что при ограничении сигнала на уровне 3-х среднеквадратичных значений (вспомните известное правило "трех сигм") проигрыш снижается на 6,5 дБ, а при ограничении на уровне 2-х среднеквадратичных значений - на 10 дБ. Оба эти уровни ограничения реально использовались в модеме.
При отсутствии ограничений на полосу частот в одноканальном модеме его проигрыш, очевидно, равен
0 дБ. При работе одноканального модема со скорость 2400 Бод в полосе 3100 Гц, как показано в упоминавшейся выше статье, его энергетический проигрыш равен 5 дБ, что хорошо согласуется и с данными в спецификации ф. ARINC.
Таким образом, сравительно неглубокое ограничение многочастотного сигнала практически сводит к нулю его энергетический проигрыш одноканальному скоростному модему (напомню, что согласно правилу "трех сигм" выбросы случайного процесса, превышающие утроенное его среднеквадратическое значение считаются практически не наблюдаемыми).
Тестирование модемов
Задачи, решаемые тестированием модемов, достаточно разнообразны. Главной задачей, разумеется, является проверка соответствия показателей работы модема теоретически ожидаемым результатам или показателям аналогичного по назначению прибора, принятого за эталон. Достаточно типичной задачей также является сравнение эффективностей двух или более типов модема. Тестирование может использоваться и в процессе разработки новых модемов, например, для выбора алгоритмов функционирования отдельных его блоков (аппаратных и виртуальных). Особой задачей тестирования является проверка функционирования модема в реальных условиях. Такая проверка может оказаться необходимой для принятия решения о возможности применения того или иного типа модема в конкретной системе связи. В соотвествии с этим можно различать два типа тестирования. Назовем их лабораторным и трассовым тестированием.
Процедурам лабораторного тестирования большое внимание уделяют разработчики стандартов, технических условий и других нормативных документов. Дискуссия на форуме показала, что ряд "дискутантов" считают проведение стандартизованного лабораторного тестирования необходимой и
достаточной процедурой для вынесения решения о свойствах модема. По моему мнению проведение трассовых испытаний также необходимо, в чем я и пытался убедить оппонентов. Рассмотрим вопросы тестирования более подробно.
Проводимое с помощью имитатора канала лабораторное тестирование является эффективным, простым и дешевым средством проверки степени совершенства реализации модема. Для ряда моделей канала известны аналитические зависимости помехоустойчивости от отношения сигнал/шум (расчетные формулы).
Поэтому результаты испытаний модема при имитировании этих моделей в имитаторе непосредственно могут свидетельствовать о качестве реализации модема. При испытаниях на других моделях канала результаты наилучшего в этих условиях модема могут быть приняты за эталон и включены в стандарт в качестве требуемых или рекомендуемых значений. Программная реализация имитатора позволяет сравнивать эффективности различных модемов в сопоставимых условиях при проведении этих сравнений в различных лабораториях и заводских цехах, включая и подразделения, производящие выпускную аттестацию изготовленных устройств. Поэтому принизить роль лабораторного тестирования невозможно, а хороший имитатор - незаменимая вещь как в научной лаборатории, так и на производстве.
Оставим на потом разговор о трассовых испытаниях. Поговорим немного об имитаторах КВ канала. По моему мнению этот разговор будет хорошо иллюстрировать мысль "всякое новое - хорошо забытое старое".
В Mil-Std прописано использование имитатора, использующего так называемую модель Ваттерсона (Watterson). У меня лично возникло недоумение, что же такое придумал Ваттерсон, что его имя увековечено
в стандартах. Ведь предложенная им модель является обыкновенной феноменологической моделью "сваренной" по результатам простейших логических рассуждений. Попробую сам изобрести модель.
Известно, что при зондировании КВ канала узким импульсом (моделью дельта-функции времени) наблюдаются множественные отклики, величины и расположение которых меняются со временем. Не вдаваясь в причины этого эффекта, будем имитировать эти отклики и для простоты ограничимся имитацией всего двух из них. Разумеется, что время запаздывания второго отклика (луча) должно быть изменяемым. Случайные флуктуации величин откликов естественно будем полагать порожденными комплексными случайными процессами с независимыми и нормально распределенными компонентами, что приводит к релеевским или райсовским замираниям.
Известно, что при зондировании КВ канала моногармоническим сигналом (моделью дельта-функции частоты) на выходе канала наблюдаются расширение и расщепление спектра, также флуктуирующие со временем. Не вдаваясь в существо дела и используя аналогию с расширением спектра при амплитудной модуляции, будем имитировать эти процессы модуляцией сигнала по амплитуде и фазе узкополосными случайными независимыми процессами. Естественно, что квазипериод модулирующего сигнала должен быть изменяемым.
Вот собственно и вся логическая цепочка. Несомненно, что так думали все, кто разрабатывал имитаторы.
Прописанный в Mil-Std имитатор с бОльшим основанием мог бы быть названным, например, имитатором Г.В.Королькова, под руководством которого в НИИ Автоматики в начале 60-х годов был разработан ламповый имитатор ИКРК Эфир. Описание этого имитатора приведено в статье Г.В.Королькова, опубликованной в журнале Электросвязь №9 за 1969 год. Имитатор выпускался малой серией. Мне удалось поработать на нем, испытывая модем "МС-5" в 1970 году. На шильдике имитатора имелись записи: "зав.№ 05 "опытный",
вып.1963г.".
Без сомнения аналогичные разработки проводились и в других странах. Но в то время стандартизация имитаторов, видимо, не входила в планы МККР (предшественника нынешнего ITU). Поэтому каждая страна создавала свой имитатор и свои нормативные документы его использования. Так было и с ИКРК Эфир. Он имитировал трехлучевой канал с максимальной задержкой последнего луча до 3,7 мсек. Нормативные документы рекомендовали его использовать при трех сочетаниях параметров, соответствовавших (по мнению авторов рекомендаций) трем типовым КВ трассам с протяженностями 600, 1500 и 5000 км.
При аппаратной реализации хорошие имитаторы были уникальными устройствами, и не каждый разработчик модемов в нашей стране мог получить к ним доступ. Поэтому, тестирование, связанное с испытаниями при наличии замираний, часто приходилось проводить на реальных трассах. По-видимому, также обстояли дела и за рубежом. В материалах МККР того времени много внимания уделялось именно трассовым испытаниям модемов. Более того, большинство публикаций о новых разработках почти всегда включали результаты сравнительных трассовых испытаний. При программной реализации отмеченные ограничения снимаются, но сама необходимость проведения трассовых испытаний на мой взгляд не может подвергаться сомнению.
Что же принципиального нового могут дать трассовые испытания? Этот вопрос многократно обсуждался на форуме. Высказывалось даже такое мнение. Раз при трассовых испытаниях условия распространения остаются нераспознанными (обычное дело), то к никакой модели канала соотнести получаемые результаты нельзя, т.е. никакой полезной информации извлечь из этих испытаний тоже нельзя. Как выяснилось, это и подобные мнения основывались на ошибочном понимании такого фундаментального свойства реальных КВ каналов как нестационарность.
Общепринято считать, что распространение сигналов в реальных КВ каналах не может имитироваться какой-либо одной моделью (если выбирать их из всех ныне известных), но может имитироваться последовательностью сменяемых друг друга моделей. Смена моделей должна производиться через определенные интервалы времени, получившие название "период квазистационарности канала". Многочисленные иследования свойств реальных каналов определяют величину этого периода примерно равной 10-20 мин. Разумеется, что осуществляемый Творцом выбор очередного квазистационарного состояния канала непредсказуем. Также непредсказуемы частости использования им каждого такого состояния. Этими двумя причинами и определяется необходимость проведения трассовых испытаний.
Кстати замечу, что величина, равная 10 мин, как типовое время существования в реальном канале избранной модели упоминается при описании имитатора по Ваттерсону (см., например, в http://www.hfindustry.com/HF%20Simulator/chansim.p df).
Приведу еще один, возможно, несколько искусственный, но реальный случай, который может потребовать проведение трассовых испытаний. Представим, что на имитаторе сравниваются два типа модемов, каждый из которых удовлетворяет основным требованиям стандарта. При испытании выяснилось, что для каждого модема имеется особенная модель канала, при которой этот модем существенно лучше (например, по помехоустойчивости) другого. Как решить, какой модем предпочтительнее?
Трассовые испытания (в отличие от лабораторных) процедура дорогостоящая. Ограничиться испытаниями на одной трассе можно только в том случае, когда выбирается модем именно для этой одной трассы. Обычно же целью трассовых испытаний является выработка рекомендаций по использованию модемов для типовых трасс, например, среднеширотных или высокоширотных, односкачковых или многоскачковых, хорошо или плохо оснащенных по характеристикам мощности передатчика, направленности антенн, чувствительности приемника и пр. К тому же обычно на трассах обычно одновременно испытываются несколько типов модемов.
В настоящее время в связи с развитием техники и технологии лабораторных испытаний значимость трассовых испытаний несомненно уменьшилась, но их необходимость осталась актуальной. Об этом свидетельствует, например, содержание совсем свежего сайта Омского НИИ приборостроения (www.oniip.ru/en/main.php?id=102), где приводятся результаты именно трассовых испытаний. По всей вероятности омичи сознательно выбрали для размещения в рекламном по сути материале эти совсем не выдающиеся результаты. Трудно заподозрить солидную организацию в отсутствии у нее программного обеспечения стандартизованного имитатора канала. Также трудно представить, что эти материалы представлены с целью опорочить собственную разработку. Остается предполагать одно. В Омске результаты трассовых испытаний считают более значимыми и убедительными.
Критерии эффективности модема
Эти вопросы также часто поднимались на форуме. Выражалось неприятие критериев, типичных для трассовых испытаний. Предлагалось учитывать стоимостные показатели или оптимизировать внутренние параметры устройства, малопонятные потребителю модема. Следуя народной мудрости, выражающейся в поговорках типа: "дорого, но мило, дешево, но гнило" или "мы не так богаты, чтобы приобретать дешевые вещи", исключим из нашего анализа экономические характеристики и остановимся на обсуждении научно-технических. По моему мнению должны различаться две группы критериев. Одна - специфичная для лабораторных испытаний, а другая - для трассовых.
Как отмечалось выше, лабораторные испытания обычно проводятся на имитаторе при фиксированной модели канала, что обеспечивает стационарность имитируемого канала и повторяемость результатов тестирования. Для этих условий адекватными являются точечные оценки важных параметров модема, например, вероятности ошибки. Таковы же и требования стандарта. В нем для разных моделей прописаны величины вероятности ошибки и требуемые для их достижения величины отношения сигнал/шум. При испытаниях однонаправленной передачи какие-либо другие критерии особой информативной ценности не имеют. При испытании двунаправленной передачи с использованием автозапроса ошибок особый интерес может составить сопоставление отношения сигнал/шум и какой-либо темповой характеристики, например, средней скорости передачи (с учетом замедлений при автозапросе) или максимального запаздывания передачи определенного объема информации. Правда в стандарте подобные критерии отсутствуют, а практические данные весьма скудны.
При трассовых испытаниях перечисленные выше критерии непригодны. Причин тому несколько и все они, естественно, порождаются нестационарностью. Прежде всего бессмысленно характеризовать эффективность модема величиной средней вероятности ошибки. Это аналогично оценке успешности здравоохранения по средней температуре больных. Поэтому на трассе обычно измеряется частость ошибок на субъективно выбранных интервалах квазистационарности канала. При проведении сравнительных испытаний этот интервал выбирается равным 5 - 10 мин, при наличии только одного модема этот интервал составляет 10 - 20 мин.
Далее, на трассе может отсутствовать какая-либо информация о текущем состоянии канала. Конечно принципиально (скорее - теоретически) такую информацию можно получать одновременно с приемом испытательной информации, но подобные измерения являются скорее исключением, чем правилом. Мне пришлось лишь один раз работать на трассе, на которой производились точные оценки фазовых флуктуаций сигнала. Поэтому сопоставить измеренную частость, например, с величиной отношения сигнал/шум обычно не представляется возможным.
Нестационарность реальных каналов порождает необходимость рассматривать частость ошибки как случайную величину и характеризовать ее (как любую случайную величину) плотностью вероятности или (что чаще) интегральной функцией. Как известно, интегральная функция связывает значение случайной величины с вероятностью того, что это значение не будет превышено. Применительно к частости ошибок, измеренной на интервале локальной стационарности, ордината каждой точки интегральной функции равна доли времени, в течение которого частость ошибок не превышала значения абсциссы. Поэтому ординаты интегральной функции называют и надежностью, и коэффициентом исправного действия. Есть и другие названия.
Таким образом, при однонаправленных трассовых испытаниях адекватным критерием эффективности модема является либо значение частости при выбранной величине надежности, либо значение надежности при выбранной величине частости ошибок. Последнюю обычно полагают (или назначают) максимально допустимой частостью ошибок. Именно такой критерий эффективности использован в упоминавшемся выше омском сайте, на котором показано, что при скорости 2400 бит/сек омский модем и зарубежный аналог обеспечивали частость ошибок не хуже 0,01 только в 80% времени испытаний.
Участниками дискуссии ставилась под сомнение практическая ценность этих результатов. Некоторые даже называли их "филькиной грамотой", что на мой взгляд дополнительно свидетельствует о глубоком недопонимании важности и роли трассовых испытаний. Все были согласны с тем, что одним из положительных результатов является прямое сопоставление помехоустойчивости омского модема и "зарубежного аналога" (правда, неназванного). Но другим, на мой взгляд не менее важным результатом является иллюстрация того, что в практической КВ радиосвязи встречаются неблагоприятные условия, не реализуемые на стандартизованных моделях канала. Напомню, что в стандарте в наихудшей для скорости 2400 бит/сек модели вероятность ошибки равна 0,001, т.е. на порядок лучше.
Под конец еще немного фантазии по поводу сравнения эффективностей многоканальных и одноканальных модемов на реальных трассах. Обстоятельная информация на эту тему практически отсутствует. Поэтому займемся предположениями. Как отмечалось, спецификой одноканальных модемов является использование адаптации к текущему состоянию канала связи. Отмечалось также, что при неблагоприятных условиях адаптация может оказаться неудовлетворительной, что приведет к сбоям демодулятора. Рискну предположить, что с учетом этого интегральные кривые частости ошибок многоканального и одноканального модемов должны пересекаться. В области частостей, соответсвующих нормальным или хорошим условиям, одноканальный модем может превосходить многоканальный по надежности, а в области частостей, соответствующих неблагоприятным условиям, должны сказываться сбои одноканального демодулятора и его интегральная кривая пойдет ниже кривой многоканального модема, т.е. надежность последнего будет выше.
Координаты точки пересечения кривых будут определяться поведением канала на выбранной для испытаний трассе.
Предположим, к примеру, что надежность одноканального составила 50% при частости ошибок 0.00001 и 80% при 0,01, а у многоканального при тех же частостях надежность оказалась равной 30% и 90%, соответственно. Какой модем предпочесть? Наверное, разные потребители будут производить разный выбор, но без сомнения найдутся такие, для которых модем, более надежный в неблагоприятных условиях, окажется лучше.
Заключение
Выше рассмотрены основные на мой взгляд вопросы, поднимавшиеся в прошедшей дискуссии. Обсуждались, конечно, и другие, но мне они показались более частными и мелкими. Дискуссия показала, что ни один из ее участников не обладал, так сказать, полной истиной в последней инстанции. Как мне кажется, дискуссия оказалась полезной всем участникам, каждый получил для себя что-то новое. Лично я уразумел много полезной информации о современных тенденциях КВ модемостроения. Дискуссия показала также, что ряд проблем, обсуждавшихся 40 лет назад, актуальны и сегодня. Некоторые из этих проблем затронуты в данной статье. Читайте, комментируйте, спрашивайте.
|
|
|
|
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные, активировавшие регистрацию и не ограниченные в доступе участники сайта!
|
| Файл создан: 29 Май 2008 09:26, посл. исправление: 06 Мар 2009 23:08 |
|
