Відносна фазова маніпуляція - метод підвищення надійності передачі інформації

Олег Головін

Микола Тимофійович Петрович, доктор технічних наук, професор МТУЗІ, народився в 1915 р. в Мінську. Коли вчився ще в школі, спорудив перший детекторний приймач з котушкою майже півметрового діаметра, з витками з пічної дроту і конденсатором зі старої каструлі. Потім закінчив Мінський технікум зв'язку, і нарешті збувається його мрія: він студент Московського інституту зв'язку. У молодості він захоплювався альпінізмом. Після отримання диплома з десяток років присвятив розробці каналів управління ракетами і бомбардувальниками. Це підштовхнуло його до винаходу нового методу передачі сигналів - відносної фазової маніпуляції (ОФМ), що знайшла широке застосування в техніці зв'язку.

Потім читав лекції студентам і аспірантам, захоплюючи їх романтикою науки. Виростив 28 кандидатів технічних наук. Є автором багатьох винаходів і публікацій, у тому числі двох десятків наукових і науково-популярних книг. У своїх книгах Н. Т. Петрович розповідає, як можна боротися з перешкодами в земних і космічних каналах зв'язку; розкриває творчі методи в техніці, доводячи, що "... кожний може творити нове, і все можна удосконалити "; наводить радіоміст між осередками розуму в нашій Галактиці, будучи учасником низки міжнародних конференцій з проблеми контакту з позаземними цивілізаціями. Ним запропонована своя методика пошуку сигналів інопланетян, закритих у шуми.

Професор впевнений, що мудра еволюція в кожному гомо сапієнс заховала наповнений сріблом і золотом "творчий ящик", що вимагає, як акумулятор, заряджання. Свій "ящик" Микола Тимофійович зі студентських років заряджає гірським сонечком, красою сяючих вершин і динамікою руху до ним. Останню свою книгу "Таємниця позаземних цивілізацій" (1999 р.) майстер спорту з альпінізму Н. П. Петрович писав, за його власними словами, розклавши листочки паперу на товстенної підошві Ельбрусу. Главу "Коли ж буде контакт? ", на жаль, забрав вітер з гір. Але автор продовжує працювати над цією темою.

Класична фазова маніпуляція і явище "зворотної роботи"

Перше вітчизняне дослідження можливості використання фазової маніпуляції (ФМ) в каналах зв'язку виконано А. А. Пістолькорс в 1932 р. Потім ФМ досліджувалася Д. В. Агеєв і В. І. Сіфоровим. У цих роботах було показано перевагу ФМ перед частотної маніпуляцією (ЧМ) і запропоновано ряд схем детекторів ФМ-сигналів. Найбільш відома і дотепна з них - "схема Пістолькорс": сигнал ФМ на прийомі зводиться в квадрат, в результаті усувається маніпуляція, але в два рази підвищується частота, яка потім вдвічі знижується дільником, що і утворює опорне коливання, необхідний для визначення ФМ-сигналів.

Однак експериментальне дослідження схем детектування ФМ-сигналів (В. І. Сіфорова, Д. В. Агеєва, Джона Костаса та ін) розкрило в них явище "зворотного роботи ". Його суть полягає в тому, що у випадкові моменти часу порушується нормальний прийом сигналів ФМ і настає "зворотна робота ": всі посилки" 1 "на виході детектора перетворюються на посилки "0", а посилки "0" - у посилки "1". У деякий випадковий момент нормальний прийом відновлюється до наступного настання "зворотної роботи" і т. д.

Це явище затримало на багато років використання ФМ в каналах зв'язку і викликало ряд пропозицій щодо боротьби з "зворотнього роботою", у тому числі такі: виконати маніпуляцію сигналу на кут, менший 180 °, а що з'являється при цьому залишок несе в спектрі сигналу ФМ використовувати для формування опорного напруги; додати пілот-сигнал для формування опорного сигналу; ввести в кожну кодову комбінацію надлишковий символ для виявлення та виправлення "зворотної роботи" і ін Однак всі ці дії нівелювали переваги ФМ перед ЧС, вимагали більш складної апаратури і тому застосування не знайшли.

Разом з тим в 1946 р. В. А. Котельников в своєї докторської дисертації "Теорія потенційної завадостійкості "суворо довів, що сигнал ФМ з маніпуляцією на 180 ° є найкращим способом передачі двійкових сигналів і що досягається при цьому потенційна перешкодостійкість не може бути перевершена ніякими іншими методами передачі. Безсумнівно, дослідження В. А. Котельникова послужили стимулом для подальших пошуків шляхів впровадження ФМ-сигналів в системи передачі інформації.

Відносна фазова маніпуляція

В результаті безуспішних пошуків нових схем детекторів ФМ-сигналів та вивчення явища "зворотної роботи" Н. Т. Петрович прийшов до висновку про неможливість однозначно встановити по приймається ФМ-сигналу опорне неманіпулірованное напругу, необхідну для його визначення. Сигнал ФМ несе в собі невизначеність фази - при одноразової ФМ можливі два значення фази, при дворазової - чотири і т. д. Це призвело Н. Т. Петровича до відмови формувати при детектуванні єдине опорне коливання. Він показав, що таке опорне коливання є в самому ФМ-сигналі, тобто в кожній посилці, що передує приймається. Цей очевидний факт першим і помітив Петрович. Як він розповідає, осяяння прийшло в черзі в ... баню. Він сидів на провалився дивані, світло електричної лампочки ледве пробивався крізь пар, і на полях газети Микола Тимофійович малював варіанти ФМ-сигналів та ФМ-детекторів.

Рис. 1. Метод ОФМ

Для реалізації ідеї треба було на передачі змінити метод маніпуляції: фаза випромінюваної посилки повинна відраховуватися від фази попередньої посилки. Так як в основі методу лежить відносний відлік фази, то метод був названий відносної фазової маніпуляцією (ОФМ); в літературі застосовується і його другу назва - відносна фазова Телеграфія (ОФТ). Коротко сформулюємо суть цього методу. ОФМ - це спосіб передачі дискретних сигналів, при якому при передачі фаза кожної N-й посилки відраховується від фази попередньої (N -- 1)-й посилки, а при прийомі знак приймається посилки визначається порівнянням фаз кожної N-й посилки з фазою (N - 1)-й посилки. Таким чином, при ОФМ встановлюється повна однозначність фаз між опорною і що несе інформацію посилками й усувається явище "зворотної роботи". Очевидно, що в початку сеансу зв'язку для передачі першого інформаційної посилки необхідна передача однієї надлишкової посилки, по якій відраховується фаза першого інформаційної посилки.

Спрощена структурна схема системи зв'язку з ОФМ показана на рис. 2, а використовувані в системі посилки - на рис. 1, де стрілки пояснюють процес порівняння їх з фаз. При передачі може бути прийнято, наприклад, таке правило: при передачі посилки "1" фаза переданої посилки повинна збігатися з фазою їй попередньої, а при передачі посилки "0" вона повинна бути зрушена від фази їй попередньої на 180 °.

Рис. 2. ОФМ на основі порівняння фаз

Крім схеми визначення сигналів ОФМ, що на рис. 2, що отримала назву порівняння фаз, була винайдена й інша схема - порівняння полярностей. Виявилося, що порівняння при прийомі N-й і (N - 1)-й посилок можна проводити і після їх визначення. На допомогу приходить одна із схем формування опорного напруги з ФМ-сигналу, про які йшлося вище. Ці схеми цілком можна застосувати і до сигналу ОФМ: "зворотній робота" усувається порівнянням посилок на виході детектора. При "зворотнього роботі" знаки і попередньої, і даної посилок змінюються на зворотні і їх порівняння на виході детектора дає правильний результат. На рис. 3 показана схема прийому за методом порівняння полярностей, в якій для створення опорного напруги використовується схема Пістолькорс. Оскільки подвоєння частоти усуває маніпуляцію фази, то можлива вузькосмуговий фільтрація опорного сигналу, що зменшує дію перешкод. Смуга фільтра не повинна бути дуже малою: потрібно, щоб опорне напруга стежило за повільними флуктуаціями фази в середовищі. При виникненні "зворотної роботи" стрибок фази опорного напруги викличе спотворення не більше двох посилок.

Рис. 3. ОФМ на основі порівняння полярностей

Запропонований Н. Т. Петровичем принцип побудови систем зв'язку на основі порівняння посилок, на якому базується ОФМ, має більш загальне значення і може бути застосований до амплітуда, частотах, поляризації та іншими параметрами посилок. Цінність принципу в тому, що він як би трансформує канал зв'язку із змінними параметрами в канал з майже постійними параметрами, тому що на відрізку двох порівнюваних посилок помітних змін в середовищі поширення не відбувається (при досить коротких посилках), а сигнал несе в собі необхідну інформацію для його детектування.

Експерти відкидають ОФМ

Автор ОФМ розповідав, що, як це заведено в науковому світі, експерти одразу ж відкинули авторську заявку на метод передачі ОФМ. Вони стверджували, зокрема, що збій однієї посилки призведе до збою всіх наступних, хоча автор доводив, що при спотворенні фази однієї посилки спотворитися може не більше двох. Інше затвердження будувалося на тому, що фаза сигналу "бовтається" у середовищі поширення, особливо в іоносфері, як овечий хвіст, і про передачу сигналів фазовим методом не може бути й мови. Докази автора (розрахункові та експериментальні) про повільному зміні фази в інтервалі тривалості двох посилок, на які йде порівняння фаз, не переконували.

Рис. 4. Залежність ймовірності помилки P (N) від співвідношення сигнал/шум для різних видів маніпуляції

Один експерт навіть сказав, що ОФМ взагалі працювати не буде. І демонстрація першого лабораторного макету (він робився підпільно і сьогодні нагадував би іхтіозавра) з магнітної записом попередніх посилок на великому диску діаметром 15 см, обертається мотором, переконали його з трудом. Побачивши мотор, він вигукнув: "Мотор в приймачі! Не піде! Його перешкоди занапастить будь-який сигнал!" Хочеться відзначити, що першим, хто оцінив працездатність і можливості ОФМ, був Віктор Семенович Мельников.

В Зрештою після двох років боротьби було видано авторське свідоцтво з пріоритетом від 22 лютого 1954 До речі зауважимо, що перша публікація про системі "Кінеплекс", де була застосована відносна маніпуляція фази, з'явилася в США в травні 1957 року

Перші натурні випробування ОФМ

Лабораторні випробування першого макетів для передачі сигналів ОФМ при дії Флуктуативно перешкод повністю підтвердили теоретичні розрахунки і переваги нового методу в порівнянні з передачею сигналів ЧС. З рис. 4 випливає, що за ймовірністю помилок (Р) ОФМ перевершує ЧТ і трохи поступається ФМ. При цьому в схемі порівняння полярностей така ймовірність трохи менше, ніж у схемі порівняння фаз. Цей ефект пояснюється введенням вузькосмугового фільтра в ланцюзі формування опорного сигналу (див. рис. 3).

Перші макети ОФМ розроблялися для КВ-діапазону, і долю нового методу повинні були вирішити натурні випробування на типових декаметрових трасах. Н. П. Петрович розповідав, що творчий підйом і хвилювання охопили всіх, хто готував макети до випробування. Постійно ставили запитання: "Що скаже іоносфера? Чи справді фаза сигналу повільно змінюється за час двох посилок? "Перші сигнали подорожували іоносфері від Хабаровська до Ватутінок Московської області, чергуючи ОФМ і ЧС. Обидва канали працювали нормально. Але в міру зниження потужності передавача в Хабаровську ЧС стало частіше давати збої сигналів, а потім і зовсім почало друкувати абракадабру, у той час як ОФМ хоч і з помилками, але видавало розбірливий текст. Винахідник ОФМ згадує, що всі пустилися в танок, обіймалися, цілувалися. Це був справжній бал, царицею якого була ОФМ.

Випробування на двох КВ-трасах дали наступні результати. На трасі Хабаровськ - Москва при швидкості роботи 50, 300, 500 бод відношення ймовірностей помилок, усереднене за багато сеанси зв'язку (Рчм/Рофм), дорівнювало відповідно 1,4; 4; 6. На трасі Москва - Севастополь при швидкості роботи 500 і 1000 бод Рчм/Рофм склало 2 і 5. Для прийому сигналів ОФМ була використана схема порівняння полярностей. Формування опорного сигналу проводилося за схемами Пістолькорс, Сіфорова, Костоса. Практично вони дали однакові результати. Спеціально вимірювалися помилки при попаданні перешкод від сусідніх станцій. Сеанси зв'язку ЧС і ОФМ змінювали один одного, були нетривалі, щоб зберегти умови проходження радіохвиль, і багаторазово повторювалися. Підсумовуючи отримані результати, можна стверджувати, що на протяжних КВ-трасах в залежності від умов зв'язку ОФМ знижує ймовірність помилок в порівнянні з ЧС в 2-5 разів.

Подальший розвиток ОФМ

Удосконалюючи ОФМ, Н. Т. Петрович розробив ряд оригінальних детекторів для ОФМ-сигналів: детектор розподілу сигналів ОФМ, спектральний детектор, відеодетектор та ін На її основі їм винайдений та досліджено низку нових методів передачі: відносна частотно-фазова маніпуляція (ОЧФМ), трипозиційна відносна фазова маніпуляція (ТОФМ), передача за допомогою фігур Ліссажу, відносна фазова маніпуляція двочастотні (ОФМД). З описаних методів найбільше застосування знайшла відносна фазова маніпуляція, по Правила доповнено класичні методи передачі дискретних сигналів АМ і ЧС. ОФМ увійшла в підручники, вивчається студентами використовується в наземних, космічних і навіть гідроакустичних системах зв'язку.

Список літератури

Петрович Н. Т. Нові способи здійснення фазової телеграфії. Радіотехніка, 1957, № 10.

Петрович Н. Т. Передача і прийом дискретних сигналів на основі порівняння елементарних посилок. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук. М., ІРЕ АНССР, 1959.

Петрович Н. Т. Спосіб провідного та радіозв'язку фазо-маніпулювали коливаннями. А. с. 105692, пріоритет від 22.02.54.

Doels M. Z., Heald E. T., Martin D. Z. Binary data transmission techniques for linear system. Proc. IRE, 1957, May, № 5.

Петрович Н. Т. Передача дискретної інформації в каналах з фазової маніпуляцією. М., Советское радио, 1965.