Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 56527-2015 "Системы телеметрические бортовые. Методы модуляции с эффективным использованием полосы пропускания" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 июля 2015 г. N 972-ст)

Onboard telemetry systems. Methods of modulation with a pass-band effective utilization

Дата введения - 1 января 2016 г.

Введен впервые

Предисловие

1 Разработан Открытым акционерным обществом "Научно-производственное объединение измерительной техники" (ОАО "НПО ИТ")

2 Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 321 "Ракетно-космическая техника"

3 Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 июля 2015 г. N 972-ст

4 Введен впервые

Введение

Главная задача настоящего стандарта состоит в обеспечении всех заинтересованных организаций, разрабатывающих и эксплуатирующих радиотелеметрические системы, общими ссылочными данными. Организации несут ответственность за выбор методов модуляции радиочастот излучаемых сигналов, применяемых в конкретной аппаратуре.

Отдельные требования и правила настоящего стандарта могут быть применены в отношении стандартов организаций. Для использования настоящего стандарта при организации бортовых телеметрических систем, в основу которых заложен методы модуляции с эффективным использованием полосы пропускания, рекомендуется указывать в соответствующей ссылке, в какой части настоящий стандарт следует применять в отношении стандартов данной организации. Остальные требования при организации бортовых телеметрических систем, базирующихся на методах модуляции с эффективным использованием полосы пропускания, устанавливают в данной организации самостоятельно с учетом необходимости соблюдения установленного в федеральном законе "О техническом регулировании" принципа обеспечения условий для единообразного применения стандартов.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на радиоэлектронную аппаратуру бортовых радиотелеметрических систем и устанавливает правила применения методов модуляции высокочастотных сигналов при передаче данных по каналам "борт-земля".

Настоящий стандарт предназначен для установления методов модуляции несущей частоты с эффективным использованием полосы пропускания.

Стандарт рассматривает методы и вопросы построения схем модуляторов, отвечающих за формирование сигналов для управления параметрами высокочастотных сигналов для их дальнейшей передачи по каналам связи на приемную регистрирующую аппаратуру, а также устанавливает ограничительные требования к спектральным маскам излучений.

Настоящий стандарт не распространяется на методы, применяемые для конкретных радиотелеметрических систем, в том числе использующих псевдослучайные последовательности для увеличения помехозащищенности радиолинии.

2 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1 модуляция: Процесс управления одним или несколькими параметрами колебания. Управляющим является сигнал, несущий информацию. В аналоговых системах используют амплитудную модуляцию и угловую модуляцию в двух модификациях: фазовая и частотная.

2.2 полоса пропускания: Непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел.

2.3 модуляция с непрерывной фазой; MSK: Модуляция, при которой информация передается в изменении фазы высокочастотного сигнала.

2.4 Гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом; GMSK: Модуляция с непрерывной фазой и постоянной огибающей. Данный вид модуляции получен из модуляции с минимальным сдвигом (MSK) добавлением Гауссовского фильтра, уменьшающего внеполосные уровни и спектральную полосу пропускания.

2.5 квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом; OQPSK: Модуляция, свободная от межсимвольных интерференций и колебаний, удовлетворяющая требованиям к внеполосному излучению.

2.6 квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом на основе квадратурно-синфазного модулятора; OQPSK I/Q: Модуляция, при которой фильтруются NRZ сигналы синфазного и квадратурного каналов. Отфильтрованные сигналы умножаются с синфазными и квадратурными сигналами несущей.

2.7 квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом на основе фазового модулятора; OQPSK/PM: Модуляция, при которой сигнал формируется преобразованием синфазных и квадратурных сигналов без возврата к нулю к четырехпозиционному сигналу. Модулируется фаза несущей отфильтрованным сигналом фазы.

2.8 фильтр SRRC: Фильтр OQPSK с фильтрацией основной полосы частот характеристикой функции квадратного корня приподнятого косинуса.

2.9 сверточное кодирование: Вид помехозащищенного кодирования, позволяющий исправлять ошибки, возникающие при передаче данных в канале передачи информации с помехами.

2.10 перемежение: Метод перестановки символов передаваемой последовательности для изменения расположения ошибок при обработке сигнала на приеме.

2.11 кодирование Рида-Соломона: Вид помехозащищенного кодирования, позволяющий исправлять ошибки, возникающие при передаче данных в канале передачи информации с помехами.

3 Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

- АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

- АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

- БИХ - бесконечная импульсная характеристика;

- ГУН - генератор, управляемый напряжением;

- КИХ - конечная импульсная характеристика;

- УВ - устройство выборки;

- ФЧХ - фазово-частотная характеристика;

- BER - частота появления ошибочных битов;

- BPSK - бинарная фазовая манипуляция со сдвигом;

- - произведение ширины полосы пропускания предварительного фильтра по уровню минус 3 дБ на длительность символа на входе модулятора;

- CCSDS - консультативный Комитет по космическим информационным системам (КККИС);

- CPFSK - частотная манипуляция с непрерывной фазой;

- - отношение энергии бита к мощности белого шума;

- - несущая частота;

- FSK - частотная манипуляция со сдвигом;

- GMSK - манипуляция с минимальным сдвигом фазы несущей частоты с предварительной фильтрацией по Гауссу;

- h(t) - импульсная характеристика;

- MSK - манипуляция с минимальным сдвигом;

- - разрядность данных, поступающих на вход цифрового фильтра;

- NRZ - представление сигнала без возврата к нулю;

- - порядок цифрового фильтра;

- OQPSK - квадратурно-фазовая манипуляция со сдвигом;

- OQPSK I/Q - квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом на основе квадратурно-синфазного модулятора;

- OQPSK/PM - квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом на основе фазового модулятора;

- - мощность сигнала;

- SFCG 21-2 - рекомендация 21-2 группы по координированию вопросов использования радиочастот в космических проектах SFCG;

- SRRC - фильтр с характеристикой эквивалентной функции квадратного корня приподнятого косинуса;

- - длительность канального символа;

- - длительность закодированного символа на входе модулятора;

- - задержка на один такт последовательности цифровых отсчетов;

- (t) - мгновенное значение фазы сигнала;

- - начальная фаза.

4 Методы модуляции с эффективным использованием полосы пропускания

При проектировании бортовых радиотелеметрических систем для оптимизации занимаемой полосы радиочастот при передаче кодовых данных рекомендуется использовать следующие методы модуляции несущей частоты [1], [2]:

1 Манипуляция с минимальным сдвигом фазы несущей частоты с предварительной фильтрацией по Гауссу (GMSK) и с предварительным кодированием (при - 0,25 и = 0,5).

2 Квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK) со следующими вариантами амплитудно-частотных характеристик предварительных фильтров:

- квадратного корня приподнятого косинуса (SRRC) при = 0,5;

- Баттерворта шестого порядка (при = 0,5);

- другие типы полосовых фильтров с полосой пропускания немодулированного сигнала при , не превышающего значения 0,5.

3 Частотная манипуляция с непрерывной фазой (CPFSK).

5 Требования к методам модуляции

Методы модуляции с эффективной полосой пропускания должны соответствовать следующим требованиям:

- требование к диапазонам несущих частот;

- требование к уровням излучения.

5.1 Требование к диапазонам несущих частот

5.1.1 Применяемые методы модуляции с эффективной полосой пропускания должны соответствовать диапазонам частот, указанным в таблице 1.

Таблица 1 - Диапазоны несущих частот для методов модуляции с эффективной полосой пропускания

N	Диапазон несущих частот, МГц	Метод модуляции	Примечание
1	175 - 220 230 - 250 625 - 650 950 - 1050 2200 - 2290 4000 - 8000 12000 - 18000	Манипуляция с минимальным сдвигом фазы несущей частоты с предварительной фильтрацией по Гауссу (GMSK) и с предварительным кодированием (при = 0,25), CPFSK	Применяют для объектов, удаленных от Земли, не более чем 2 млн км
2		Квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK) с вариантами предварительных фильтров по 7.5
3	2290 - 2300	Манипуляция с минимальным сдвигом фазы несущей частоты с предварительной фильтрацией по Гауссу (GMSK) и с предварительным кодированием (при = 0,5), CPFSK	Применяют для объектов, удаленных от Земли, не менее чем на 2 млн км
4	8400 - 8450	Манипуляция с минимальным сдвигом фазы несущей частоты с предварительной фильтрацией по Гауссу (GMSK) и с предварительным кодированием (при = 0,5), CPFSK	Применяют для объектов, удаленных от Земли, не менее чем на 2 млн км
5	8450 - 8500	Манипуляция с минимальным сдвигом фазы несущей частоты с предварительной фильтрацией по Гауссу (GMSK) и с предварительным кодированием (при = 0,25), CPFSK	Применяют для объектов, удаленных от Земли, не более чем 2 млн км
6		Квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK) с вариантами предварительных фильтров по 7.5

5.2 Требование к уровням излучения

5.2.1 Для оценки спектральной эффективности разрабатываемых бортовых систем должны применять спектральные маски. Спектральные маски стандартов CCSDS (SFCG 21-2) устанавливают ограничения на допустимые уровни излучения в спектре передаваемого сигнала [3]. Не допускается превышение значений спектральных составляющих передаваемого сигнала над ограничительными значениями спектральной маски в соответствии с требованиями международных стандартов [1], [2].

На рисунке 1 представлены спектральные маски стандартов CCSDS (SFCG 21-2) для двух диапазонов информативности передачи данных.

Рисунок 1 - Спектральные маски SFCG 21-2

6 Критерии выбора схем модуляции

Выбор схем модуляции рекомендуется осуществлять по следующим критериям [2]:

- эффективность полосы пропускания;

- высокая скорость передачи данных;

- достоверность передаваемой информации;

- восприимчивость к интерференции;

- сложность выполнения и стоимость бортовых передатчиков и наземных приемников.

7 Структура кодеров, декодеров, модуляторов бортовых телеметрических систем

Для реализации методов модуляции с эффективным использованием полосы пропускания телеметрические системы должны содержать кодеры, декодеры и модуляторы [2].

7.1 GMSK с предварительным кодированием

7.1.1 Модуляция с минимальным фазовым сдвигом и наличием Гауссовского фильтра на входе модулятора (GMSK) получена из модуляции с минимальным сдвигом (MSK) добавлением Гауссовского фильтра основной полосы частот [2]. Наличие Гауссовского фильтра позволяет уменьшить спектральную полосу пропускания и внеполосные уровни излучения.

На рисунке 2 представлена блок-схема предварительного кодера GMSK.

Рисунок 2 - Блок-схема предварительного кодера GMSK

7.1.2 Для моделирования сигнала кодера GMSK используют следующие математические выражения [2]:

Выражение для расчета мгновенного значения несущей частоты с модуляцией по GMSK

,

(1)

где Р - мощность несущей частоты, Вт;

f - значение несущей частоты, Гц;

(t) - мгновенное значение фазы несущей частоты, радиан;

- начальное значение фазового сдвига несущей, радиан.

,

(2)

,

(3)

где k - номер текущего такта входной последовательности;

к - 1 - номер предыдущего такта входной последовательности;

- значение i-го бита входной последовательности;

- длительность закодированного символа на выходе модулятора.

7.1.3 Выражение для мгновенного частотного импульса записывают следующим образом:

,

(4)

где * - операция свертки сигналов;

(5)

h(t) - импульсная характеристика Гауссовского фильтра:

,

(6)

где =

(7)

В - односторонняя полоса пропускания Гауссовского фильтра по уровню минус 3 дБ.

7.1.4 Для обеспечения возможности изменения эффективной полосы пропускания для радио частотных сигналов с модуляцией GMSK изменяют значение , представляющее собой произведение двух параметров B и .

Уменьшение величины приводит к уменьшению занимаемой полосы спектра выходного сигнала и энергетического потенциала радиолинии, но и одновременно - к увеличению межсимвольной интерференции.

7.2 Методы генерации GMSK

Методы генерации GMSK различают на следующие типы:

- методы модуляции с частотным сдвигом (FSK);

- методы квадратурной модуляции с фазовым сдвигом (OQPSK) при значениях = 0,5 и = 0,25.

7.2.1 Методы модуляции с частотным сдвигом (FSK)

7.2.1.1 Схема модулятора по методу частотного сдвига FSK должна содержать генератор, управляемый напряжением (ГУН), на вход которого должен поступать сигнал после Гауссовского фильтра. Схема модулятора GMSK с ГУН представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема модулятора GMSK с ГУН

Примечание - Для частотной манипуляции с непрерывной фазой (CPFSK) наличие Гауссовского фильтра в схеме, представленной на рисунке 3, не требуется.

7.2.1.2 Выбор диапазона граничных частот ГУН определяен# требованиями к полосе частот проектируемого устройства. Частотные свойства Гауссовского фильтра вычисляют по формулам (6) и (7).

7.2.1.3 Допускается замена аналогового Гауссовского фильтра на цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ) не ниже 6-го порядка с импульсной характеристикой h[n], рассчитанной таким образом, чтобы аппроксимация по отношению к импульсной характеристике аналогового фильтра hGF[t] не превышала 5%.

7.2.2 Метод квадратурной модуляции с фазовым сдвигом (OQPSK)

7.2.2.1 В схеме квадратурного модулятора GMSK с фазовым сдвигом поток двоичных данных NRZ после прохождения через Гауссовский фильтр с импульсной характеристикой, математически определяемой формулами (6) и (7), должен быть подвергнут интегрированию и разложению на квадратурные составляющие. После чего квадратурные составляющие должны быть перемножены с ортогональными гармоническими сигналами несущей частоты, сформированными от одного генератора. Результаты перемножения должны быть просуммированы в один выходной сигнал, и результирующий сигнал передан на вход высокочастотного усилителя.

7.2.2.2 Блок схема квадратурного модулятора GMSK с фазовым сдвигом представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Блок-схема квадратурного модулятора GMSK с фазовым сдвигом

7.3 Передатчик с предварительным кодированием

7.3.1 В цифровом передатчике GMSK с предварительным кодированием входная последовательность в коде NRZ поступает со входа формирователя сигнальных импульсов (ФСИ) на предварительный кодер ПрК, выполненный по схеме, представленной на рисунке 2.

Закодированная таким образом последовательность поступает на УВ, которое формирует необходимое число отсчетов на один символ предварительно закодированной в ПрК входной последовательности данных. С выхода УВ цифровые отсчеты поступают на цифровой фильтр, обладающей КИХ и аппроксимирующей импульсной характеристикой h[n], инвариантной амплитудно-частотной характеристике Гауссовского фильтра. Цифровой КИХ-фильтр должен иметь такие характеристики разрядности обрабатываемых данных и порядок фильтра чтобы при заданном значении искажения в передаваемом сигнале от цифрового передатчика были незначительны.

Выходные отсчеты z[n] с КИХ-фильтра должны передаваться на цифро-аналоговый преобразователь (АЦП), выходной сигнал с которого должен управлять ГУН.

7.4 Модуляция OQPSK с фильтрацией основной полосы частот

7.4.1 Различают два варианта модуляции OQPSK, выполненных по схеме с фильтрацией основной полосы частот:

- OQPSK с линейным модулятором фазы;

- OQPSK с квадратурно-фазовой модуляцией.

Исполнение 1. OQPSK с линейным модулятором фазы

Блок-схема линейного фазового модулятора OQPSK представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Блок схема линейного фазового модулятора OQPSK

Выходной сигнал схемы формируется преобразованием синфазного и квадратурного каналов в основной полосе частот.

Описание схемы

В OQPSK/PM должны использовать линейный модулятор фазы с целью переноса фильтрованного фазового сигнала на несущую частоту.

На вход модулятора подают две составляющие: синфазная (I) и квадратурная (Q) в коде NRZ. Данные в канале Q должны быть задержаны относительно данных в канале I на половину длительности символьного интервала для создания фазового сдвига между каналами. Выходной сигнал после преобразования фаз должен поступать на сгл