автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала КВ-диапазона с устройствами цифровой обработки

На правах рукописи

КОПЫСОВ Андрей Николаевич

УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ СОГЛАСОВАНИЯ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА ПРИЕМА ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА КВ-ДИАПАЗОНА С УСТРОЙСТВАМИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.12.13 "Системы, сети и устройства

телекоммуникаций "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет" (ИжГТУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор И.З. Климов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.П. Петров, г. Киров, кандидат технических наук, доцент В.Н. Цыркин, г. Ижевск.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государствен-

ный университет аэрокосмического приборостроения

Защита состоится 19 декабря 2006 г. в 16 часов

на заседании диссертационного совета К 212.065.01 при ИжГТУ по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан 17 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

В.Н. Сяктерев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные системы связи характеризуются тем, что в них все в большей степени используются цифровые методы формирования и обработки сигналов, что дает возможность применять сложные алгоритмы при одновременном снижении массогабаритных и энергетических затрат. Большинство каналов связи загружены сигналами с амплитудной, частотной или фазовой модуляцией либо их разновидностями. Дальнейшее увеличение числа радиостанций с простыми сигналами нарушает функционирование телекоммуникационных устройств, уже работающих в каналах связи. К снижению качества связи ведут фильтрующие свойства каналов: нелинейные искажения; многолучевость распространения; замирания сигнала, как быстрые, так медленные. Для снижения негативного влияния таких факторов и увеличения загрузки каналов связи разработаны и применяются средства связи, использующие: частотное и временное разделение сигналов, селекцию каналов по углу прихода, помехоустойчивое и корректирующее кодирование, а также другие методы, однако все они не дают кардинального решения проблемы.

Одним из перспективных способов повышения качества связи является использование телекоммуникационных систем со сложными сигналами, называемыми шумоподобными или широкополосными сигналами (далее ШПС). К отличиям таких систем связи относят использование сигналов с более широкой полосой, чем полоса спектра передаваемых сообщений, как правило, в десятки - сотни раз. Для широкополосных сигналов характерна передача сигналов с меньшей спектральной плотностью в сравнении с плотностью узкополосных помех в канале.

Вопросы оптимального приема сигналов подробно изучены в классических работах Р. Найквиста, К. Шеннона, Р. Хемминга, Дж. Прокиса, Э.Д. Ви-терби, Ван Триса, Дж. Дж. Стиффлера, В.А. Котельникова, A.A. Харкевича, В.И. Сифорова, Н.Т. Петровича, В.И. Тихонова, Б.Р. Левина, JI.M. Финка, а также Ю.Г. Сосулина, JT.C Гуткина, P.JI. Стратоновича, Ю.В. Гуляева, Д.Д. Кловского, Н.П. Хворостенко, Т. Кайлата, Дж.М. Возенкрафта, JI.E. Варакина, В.Б. Пестрякова, A.A. Сикарева, Г.И. Тузова, А.П. Трифонова и многих других отечественных и зарубежных авторов.

При низкой спектральной плотности широкополосных сигналов трудно выделить информационную составляющую на фоне мощных сосредоточенных помех, и без знания структуры сигнала его обнаружение практически невозможно. Таким образом, применение систем связи со сложными сигналами позволяет повысить уровень защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа и обеспечивает большую энергетическую скрытность в сравнении с системами связи на базе узкополосных сигналов.

Имеющаяся на сегодня элементная база позволяет создавать телекоммуникационные системы, использующие широкополосные сигналы, работающие в режиме реального времени. Однако применение систем связи с ШПС осложняется тем, что при реализации приемного устройства требуется выполнять ортогональные преобразования. Для выполнения этих процедур необходимо раз-

рабатывать систему согласования сигнала, прошедшего линейный тракт приемника с устройством квантования и дискретизации. Разрабатываемая система согласования должна обеспечивать минимизацию потерь, обусловленных цифровым представлением широкополосного сигнала, до уровней, сопоставимых с потерями, вносимыми в ШПС ионосферным каналом связи.

Таким образом, задача разработки методов приема/передачи информации с помощью широкополосных сигналов для обеспечения информационной безопасности в телекоммуникационных системах является актуальной.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала с трактом цифровой обработки, функционирующих в условиях изменяющейся помеховой обстановки и позволяющих минимизировать потери при цифровом представлении широкополосных сигналов.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- оценка влияния нелинейных фазовых искажений на широкополосный сигнал в ионосферном канале связи;

- анализ методов: передачи дискретной информации с использованием широкополосных сигналов;

- исследование влияния амплитудного ограничения сигнала в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов;

- оценка стационарности КВ-канала связи, выбор интервала квазистационарности и выработка требований, предъявляемых к основным параметрам системы автоматической регулировки усиления;,

- разработка программно-аппаратных средств согласования для реализации предложенных алгоритмов в аппаратуре приема дискретной информации;

- проведение лабораторных и трассовых испытаний разработанных средств связи с широкополосными сигналами;

- оценка эффективности предложенных алгоритмов программно-аппаратных средств. -

Объектом исследования яэляется цифровая система связи, функционирующая в сложной, быстро изменяющейся помеховой обстановке.

Предметом исследования является исследование нелинейных фазовых искажений широкополосного сигнала в ионосферном канале связи и программно-аппаратная реализация предложенных алгоритмов согласования линейного тракта с трактом цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.

Методы исследования. При выполнении диссертационных исследований использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на численных методах решения дифференциальных уравнений, методах теории вероятности и математической статистики, а также теории случайных процессов. Экспериментальные исследования проводились путем имитационного моделирования на моделях, адекватных реальной помеховой обстановке, и натурных испытаниях макетов, использующих предложенные программно-аппаратные решения.

Научная новизна. В процессе выполнения исследований были получены следующие новые научные результаты:

- установлена степень влияния нелинейных фазовых искажений ионосферного канала на основные характеристики энергетического спектра широкополосного сигнала;

- определены требования к системе согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки с целью минимизации искажений, обусловленных цифровым представлением широкополосного сигнала;

- разработана методика оценки стационарности КВ-канала связи для интервалов времени, соответствующих средней длительности передачи радиограмм;

- создана программно-аппаратная реализация системы согласования при использовании широкополосного сигнала с неравномерным энергетическим спектром в случае малых отношений сигнал/помеха;

- по результатам натурных испытаний определены условия эффективности использования разработанных автором правил функционирования системы согласования в приемнике широкополосных сигналов.

Практическую ценность представляют:

- предложенная модель аддитивной смеси широкополосного сигнала и помех в КВ-канале связи, позволяющая на стадии проектирования синтезировать и исследовать алгоритмы функционирования системы связи с широкополосными сигналами;

- основные параметры системы согласования линейного тракта и тракта цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона, рассчитанные на основе оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;

- разработанные программно-аппаратные средства согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки, удовлетворяющие заданным требованиям к уровню потерь при цифровом представлении сигналов;

- результаты натурных испытаний, подтверждающие эффективность реализации системы согласования при использовании в каналах с мощными станционными помехами.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся теоретические разработки и программно-аппаратные решения по созданию алгоритма приема широкополосных сигналов, в том числе:

- математическая модель ионосферного канала связи, учитывающая влияние нелинейных фазовых искажений, вносимых в широкополосный сигнал;

- исследование эффективности цифрового представления сигналов при использовании разработанных программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема и тракта цифровой обработки;

- методы оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;

- научно-обоснованные технические решения, использованные при создании измерительного стенда и образцов приемопередающих радиостанций;

- программно-аппаратная реализация алгоритма работы системы согласования линейного тракта с устройствами цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.

Реализация и внедрение работы. Результаты диссертационной работы используются на ОАО "Сарапульский радиозавод" и в учебном процессе Ижевского государственного технического университета на кафедре ^'Радиотехника" в лекционном курсе "Цифровая обработка радиолокационных сигналов".

Диссертационная работа основана на результатах научно-исследовательских работ, выполненных для ОАО "Сарапульский радиозавод".

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на:

- Десятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2004);

- 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2004" (Москва, 2004);

> - XXI Военно-научной конференции (Москва, 2005);

- Двенадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2006);

- Шестьдесят первой научной сессии, посвященной дню радио (Москва,

2006);

- Третьей научно-технической конференции "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства" (Ижевск, 2006);

- Второй всероссийской научной конференции-семинаре "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике (Муром, 2006).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи в научно-технических сборниках включенных в перечень научных журналов, по рекомендации ВАК РФ, 12 тезисов и докладов на российских и международных научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложенные на 138с. машинописного текста. В работу включены 51 рис., 7 табл., список литературы из 117 наименований и приложений на 2с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности диссертационной работы, формулировку цели и задач работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и определены содержание и методы исследований.

В первой главе изложены результаты исследования влияния ионосферного канала связи на основные параметры широкополосных сигналов.

Основой для исследования фазовых характеристик ионосферного канала связи является расчет траектории монохроматической радиоволны. Для заданного канала связи определяются траектории волн в зависимости от частоты и рассчитываются параметры, определяющие фазовые искажения. Используемый в. диссертационной работе метод расчета траекторий радиоволны учитывает влияние магнитного поля и сферичность Земли. Траектория радиоволны определена системой дифференциальных уравнений в сферической системе координат. ■

Известно, что широкополосные сигналы в ионосферном канале подвержены двум видам фазовых искажений. Это нелинейные фазовые искажения, обусловленные средними характеристиками изменения электронной концентрации в ионосфере, а также флуктуации фаз спектральных составляющих, определяемые влиянием неоднородностей ионосферы. В исследованиях использована параболическая аппроксимация изменения электронной концентрации в ионосфере. На рисунках 1,а и 1,6 приведены полученные зависимости нелинейных фазовых искажений и среднеквадратичные значения фазовых флуктуаций от частоты. Использованы следующие обозначениям г0 - высота нижнего края слоя над поверхностью Земли; гт - полутолщина слоя; //т - значение электронной концентрации в максимуме; /0 - частота волны; Р - коэффициент, описывающий интенсивность флуктуаций электронной плотности; Г- дальность связи.

[е(а>)-в(а>0)],рад

<т, рад

2.00

0.014т 0.012| 0.01$ о.ооа

-2.00

/,МГЦ

11.46 11.53 11.60 11.67 11.74

¿=11.6 МГц;

а

г0=100 км, гт=20км, #т=2-10*см*, Р=Ю-2;

го=100км, гт1=2км, г^гОкм, Л/т=2-108смЛ р=10-2.

А МГЦ

11.68

Г=760км ГИ000км ГИ300км Л=2000км

Рис. 1. Фазовые искажения широкополосных сигналов в ионосферном канале: а — нелинейные фазовые искажения; б—среднеквадратичные значения фазовых флуктуаций

Проведенные исследования показывают, что влияние флуктуации фаз на прием широкополосных сигналов проявляется флуктуациями времени прихода 111ПС, среднеквадратические значения, которых не превышают 10"9секунд. Этот результат определяет ограничения на длительность широкополосных сигналов. Необходимо минимизировать влияния флуктуаций фаз спектральных составляющих на качество приема ШПС.

В ходе исследований было установлено, что нелинейные фазовые искажения имеют квадратичный характер зависимости от ширины полосы широкополосного сигнала Энергетические потери, обусловленные влиянием нелинейных фазовых искажений на прием широкополосного сигнала, могут быть охарактеризованы коэффициентом использования мощности сигнала.

Коэффициент использования мощности сигнала определяется из форму-

лы:

лФ-

/ Г . кяУ

БШ- в*

1л К=0

V < J

С080С„

2п

В<

/ Г . кяУ

/ р . Б1П-

/ £ В*

/ Г-о Кп

У

(1)

где сц, - коэффициент квадратичной составляющей нелинейных фазовых искажений для односкачковой трассы; В5 - база широкополосного сигнала.

Фазовые искажения накапливаются, поэтому для многоскачковых трасс коэффициент квадратичной составляющей нелинейных фазовых искажений оц, равен произведению числа скачков на значение коэффициента для односкачковой трассы. Графические зависимости влияние полосы широкополосного сигнала, на значение коэффициента использования мощности сигнала приведены на рис 2. Установлено влияние неравномерности энергетического спектра широкополосного сигнала на нелинейные фазовые искажения. Показано, что уровень фазовых искажений возрастает с ростом глубины проникновения широкополосного сигнала в ионосферу. Причем глубина проникновения является возрастающей функцией отношения несущей частоты сигнала к значению максимально применимой частоты.

однослойная ионосфера

- Г«760км 2.6

•••• ГН000км

Г-1300км 2 • • • Г-2000км двухслойная ионосфера' м-н Г*7в0км ■»-•+• Г»1000км Г«1300км Г"2000км

а" ' " 5»

кГц .«•

40 60 80 юо Односкачковая трасса

20 40 60

Трех скачковая трасса

' кГц 80 100

Рис. 2. Потерн, обусловленные фазовыми искажениями широкополосного сигнала

Сильная зависимость фазовых искажений от отношения приводит к тому, что в нижней части КВ-диапазона допустимая ширина ШПС будет значительно больше, чем в верхней части диапазона. Анализ расчетных зависимостей показал, что при односторонней ширине спектра широкополосного сигнала не превышающей 25...30 кГц потери в мощности широкополосного сигнала, обусловленные нелинейными фазовыми искажениями, не превышают 0.06 дБ для односкачковых трасс и 0.5 дБ для трех скачковых.

Проведены сравнительные оценки методов передачи дискретной информации с использованием широкополосных сигналов путем сопоставления существующих методов прямого расширения спектра. Коротковолновый канал связи является каналом с медленно изменяющейся фазовой характеристикой.

Поэтому высокое качество передачи дискретной информации обеспечивается при использовании сигналов с относительно фазовой манипуляцией. Задача выбора вида модуляции решалась путем сопоставления показателей спектральной эффективности. В ходе исследований рассматривались различные виды квадратурной и дифференциальной фазовой модуляции, в том числе и относительная фазовая манипуляция с косинусным скруглением по Найквисту формы спектра:

■ а] ■ h(t - i ■ Ts )cos со0/ + ~ ■ c¡y ■ h(t - i ■ Ts )sin toQt ;„ ^ ^ imTs <t < (/ + l) ■ Ts,

где a¡, ар — двоичные информационные символы в квадратурном и синфазном каналах принимающие значения ±1; £s энергия информационного символа; Г5 длительность информационного символа; соо — несущая частота; п — номер передаваемого информационного символа, h{t) — огибающая амплитуды сигнала. Функция h(t) выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась форма спектра с коэффициентом скругления спектра а:

[1, ^ ^ 0<|/|<(1-а)/Г5

-i i ■>'-n-Tei r 1-а^: 1 -а н 1 + а

С / =^COS-« -Ц/--!, -<;/1<-. (3)

12-а { 2 - 7; Jj 2 - Ts " 1 2-Ts

О, вне пределов

Выполненный анализ видов модуляции показал, что в качестве носителя дискретной информации необходимо использовать сигнал двойной относительной фазовой манипуляции с косинусным скруглением по Найквисту формы спектра.

Во второй главе решается задача исследования влияния амплитудного ограничения в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов при цифровом представлении. В рамках этой задачи минимизируется разрядность представления цифровых отсчетов сигналов при условии снижения потерь, связанных с ошибками квантования и амплитудного ограничения аналоговых сигналов.

Полученные результаты касаются исследования существующих в настоящее время методов амплитудного ограничения, а также оценки потерь возникающих при использовании цифрового представления сигналов в условиях амплитудного ограничения. Установленные в ходе исследований результаты позволяют определить правила и параметры преобразований, обеспечивающих минимизацию влияния амплитудного ограничения сигнала в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов. Для сокращения разрядности цифрового представления сигналов может быть использована процедура ограничения динамического диапазона преобразуемого сигнала.

Одним из эффективных способов ограничения динамического диапазона сигналов, подлежащих цифровому представлению, является использование системы автомагической регу лировки усиления (далее АРУ). Так как в системе

передачи дискретной информации с широкополосными сигналами суммарный сигнал является аддитивной смесью, для которой характерно доминирование аддитивной помехи, то система АРУ, используемая в линейном тракте приемника, обеспечивает стабилизацию уровня аддитивной помехи. Известно, что система АРУ обеспечивает снижение диапазона изменения средней мощности сигнала, которая изменяется в широких пределах, но не обеспечивает ее абсолютной стабилизации. На выходе системы деманипуляции широкополосного сигнала доминирующим является полезный сигнал, мощность которого определяется условиями распространения широкополосного сигнала в радиоканале и может изменяться в широких пределах. В этих условиях непосредственное цифровое представление сигналов двойной относительной фазовой манипуляции предъявляет высокие требования к динамическому диапазону как схемы ортогонального разложения сигнала двойной относительной фазовой манипуляции, так и последующего аналого-цифрового преобразования (далее АЦП). Потери за счет квантования можно характеризовать коэффициентом использования энергии сигнала:

2 _ Чк =

1 + ■

-М)

-1

т ^ ттш =

(5)

(4)

где - отношение сигнала к помехе на выходе системы деманипуляции широкополосного сигнала; Д — шаг квантования ортогональных составляющих; Ис- заданный уровень стабилизации средней мощности смеси.

Квантуемые величины являются случайными нормально распределенными отсчетами процессов, математические ожидания которых определяются мощностью полезного сигнала и его фазой, а дисперсия - мощностью аддитивной помехи. Для того чтобы вероятность превышения значения рабочего диапазона АЦП была достаточно мала, необходимо выполнить условие:

'з-о-^М'+лг;

где Ъп и Ит2 - нижняя и верхняя границы рабочего диапазона отношения сигнала к помехе; т - число разрядов аналого-цифрового преобразователя.

На рис. 3 показаны зависимости значений правой части неравенства от - потерь, связанных с цифровым представлением сигналов. Анализ расчетных зависимостей показывает, что требования к разрядности АЦП зависят от верхней границы отношений сигнала к помехе и допустимого уровня потерь. И в меньшей степени зависят от нижней границы рабочего диапазона отношении сигнал/помеха. В ходе выполненных исследований было установлено, что использование аналого-цифровых преобразователей с числом значащих разрядов не менее 8 приводит к потерям, связанным с цифровым представлением сигналов, не превышающим 0.1 дБ.

В коротковолновом канале связи, как правило, встречается помеха с относительно равномерным спектром, и существует высокая вероятность попадания в полосу широкополосного сигнала сильной помехи, мощность которой со-

средоточена в относительно узкой полосе частот. Именно сильная сосредоточенная помеха создает главные проблемы с динамическим диапазоном приемника.

В ходе исследований была предложена модель аддитивной смеси, отражающая существенные факторы реальной помеховой обстановки. Математическая модель была определена через сумму трех компонент: полезного сигнала, шумовой помехи и мощной помехи с сосредоточенным спектром. Для решения поставленной задачи аддитивная смесь была представлена через энер-

0.06 0.1 0.16 0.2 0.26 0.3 0.36 0.4 0.46 0.6

-- --- -в— -о- - В -

h„», дБ б 10 16 в 10 20

hm», дБ 30 20 30 20 20 20

Рис. 3 Зависимость разрядности цифрового представления от допустимого уровня потерь

G((o).

гетическии спектр, получаемый как сумма энергетических спектров ее составляющих. Энергетические спектры широкополосного сигнала и шумовой помехи рассматривались как равномерные, а энергетический спектр сосредоточенной помехи описывался гауссовой кривой. Энергетический спектр аддитивной смеси задавался следующим выражением:

\GS +G0+ Gl(со) I© -©0|^тiFs,

[О jet) — £0q| > TlFç,

где cûo - несущая частота широкополосного сигнала; Fs - полоса широкополосного сигнала; Gs и Go - спектральные плотности сигнала и шумовой помехи; Gl— спектральная плотность сосредоточенной помехи.

Использование модели аддитивной смеси позволило решить задачу оценки влияния ограничений сигнала в линейном тракте. Исследования показали, что суммарные потери определяются суммой потерь за счет ограничения и шумов квантования:

G0(\ + ql) _

Ля

Gc

+

4sL

(По+П.-Пд) (fio+1)

jGD (П)сП + JGD (fi )dÇï

(По-1) (По+П.+П£)

xl

+ч£)-2

1-2 m

2Fs[2F(Xq)~ 1]2(1 " nj 3[2F(Xo)-1]2

(7)

где Со(0) - спектральная плотность дополнительной помехи; Г(хо) - интегральная функция распределения нормальной случайной величины; т - число разрядов АЦП; — полоса широкополосного сигнала; Л - относительное значение несущей частоты ШПС, определенное через ширину спектра ШПС; — относительное значение односторонней ширины сосредоточенной помехи, определенное через ширину спектра ШПС; О.-- относительное значение смещения сосредоточенной помехи относительно Оо» определенное через ширину спектра

ШПС; — отношение мощностей сосредоточенной и шумовой составляющих помех; д$2 — отношение мощностей сигнала и сосредоточенной помехи; ^ь2 -отношение мощностей сигнала и шумовой помехи;хо - отношение максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды смеси широкополосного сигнала и помех.

Полученные в ходе исследований зависимости суммарных потерь, вызванных цифровым представлением преобразуемой аддитивной смеси (рис. 4) позволяют сделать вывод о том, что при больших относительных значениях мощности сосредоточенной помехи имеет место минимум потерь при Хо = 5.1. Минимум суммарных потерь объясняется противоположным характером зависимости составляющих потерь от относительной величины уровня ограничения.

Оо = 2, А. = 0.3, = 0.2, т = 14, = 50 кГц

<Д дБ 10 20 30 40 50 60 70 80

кривая ----------- ------ -------- -в- —о-— —-е--- —е>---

Рис. 4 Зависимость суммарных потерь от отношения максимального входного сигнала аналого-цифрового преобразователя к среднему значению амплитуды смеси

Проведенные теоретические исследования показывают, что при разрядности АЦП ш=14 достигается незначительный уровень суммарных потерь, вызванных ограничением и шумами квантования, составляющий не более 0.4 дБ для уровней сосредоточенных помех, не превышающих 60 дБ. В случае более мощных помех обеспечивается условие минимизации суммарных потерь, для = 80 дБ суммарные потери составляют всего 10 дБ, однако потери приводят к значительным изменениям спектра широкополосного сигнала.

В третьей главе вырабатываются требования к основным техническим характеристикам системы согласования, а также проводится оценка эффективности созданных алгоритмов системы АРУ. При решении поставленных задач проводится анализ стационарности КВ-канала связи и определяется величина интервала квазистационарности. На этапе анализа эффективности системы АРУ оценивается отклонение среднего значения амплитуды сигнала на выходе линейного тракта приемника.

Выполненные теоретические исследования позволили перейти к разработке приемопередающих радиостанций, а также проведению исследований и трассовых испытаний радиолинии КВ-диапазона с использованием широкополосных сигналов на трассах протяженностью 1300 и 2200 км. В ходе изучения

стационарности КВ-канала связи были разработаны правила расчета интервала квазистационарности КВ-канала связи, необходимые для оценки интервала времени, на котором мало меняется среднее значение амплитуды широкополосного сигнала КВ-диапазона. В качестве критерия оценки интервала квазистационарности использован принцип минимизации изменения во времени математического ожидания и дисперсии. Для реализации предложенного метода оценки проводился расчет модуля композиции широкополосного сигнала и станционных помех на выходе линейного тракта приемника, а затем определялись относительные отклонения математического ожидания и дисперсии:

где л*х.,ф;ДГ) - математическое ожидание, рассчитанное на интервале времени t е (О;N); ах,ф н) — дисперсия, рассчитанная на интервале времени t е (0;/V).

Используя значения А.щ и ДСТ/, найдены среднеарифметические значения

и границы доверительного интервала математического ожидания и дисперсии, с заданной доверительной вероятностью р = 0.8. В расчетах применены уравнения /-распределения Стьюдента справедливые в случае случайных величин с нормальным законом распределения. Показано, что средние значения амплитуд анализируемых сигналов имеют распределения, близкие к нормальным распределениям. В качестве критерия нормализации сигнала КВ-диапазона использован коэффициент эксцесса, отклонение которого не превышало 20%.

По результатам трассовых испытаний радиолинии КВ-диапазона проводимых весной 2005 года, определены интервалы квазистационарности КВ-канала связи. Установлено, что в зависимости от величины и .интенсивности станционных помех наблюдаются два случая распределения относительных отклонений. В первом случае, когда интенсивность помех не велика, выделяется один минимум, соответствующий интервалу стационарности, лежащему в диапазоне 50... 155 мс. Этот вариант распределения встречается в 26% случаях. На рис. 5,а показан вариант распределения значений относительного отклонения с одним минимумом. В большинстве реализаций наблюдается иная картина распределения относительных отклонений. Имеются два четко выраженных минимума, вызванных действием различных составляющих в анализируемом сигнале. Первый минимум обусловлен действием высокочастотных составляющих в композиции широкополосного сигнала и станционных помех. Второй минимум характеризуется низкочастотными составляющими, представляющими фединги, замирания с длительностью порядка 0.5...3 с, рис. 5,6.

Проведенные оценки показывают, что с учетом всех вариантов распределения среднее значение интервала квазистационарности равно 300 мс. В этом случае величина относительного отклонения математического ожидания не превышает 16.6%, а относительное отклонение дисперсии составит не более 24.7%. В среднем для выбранного интервала квазистационарности величины имеют меньшие значения: 5.8±0.4% для относительного отклонения математи-

|W.x7e(0;W) mx\te(N;2N)\ mx\te(0;N) + mxte(N;2N)

•100%, (8)

ческого ожидания и 11.4±0.7% для относительного отклонения дисперсии. Полученная оценка интервала квазистационарности характеризует время, в течение которого среднее значение амплитуды сигнала КВ-диапазона изменяется не более чем на 17% и выступает в качестве интервала анализа системы согласования.

[*1

Интервал кваэистационарности. с

0.01 0.1 Интервал квазистационарности, с

Рис. 5. Распределение относительных отклонений математического ожидания и дисперсии: а - 3.04.2005(9231кГц); б - 3.04.2005 (13970кГц)

Полученные результаты дают возможность определить требования к основным техническим характеристикам системы автоматической регулировки усиления при проектировании линейного тракта приемника коротковолнового диапазона. Проведенный анализ эффективности применения системы согласования показал, что в результате использования системы согласования с интервалом анализа среднего значения амплитуды равным полученному интервалу квазистационарности, сигнал на выходе линейного тракта стабилизируется на задаваемом уровне. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что получено снижение на 6.5 дБ флуктуаций сигнала относительно значения, устанавливаемого на выходе линейного тракта приемника. Проведенные эксперименты показывают, что система согласования поддерживает отношение максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды преобразуемой композиции на уровне 5...5.5, что соответствует теоретически обоснованным требованиям.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практической реализации и проведения экспериментальных исследований разработанного при непосредственном участии автора приемника дискретной информации с использованием широкополосных сигналов.

Разработана программно-аппаратная реализация синтезатора широкополосного сигнала. Использован способ прямого синтеза; суть метода заключается в хранении отчетов сигнала с последующей передачей их на синтезатор прямого синтеза, который производит операции интерполяции и квадратурной модуляции с переносом на несущую частоту. Функцию хранения цифровых отчетов, образующих квадратурную и синфазную составляющих сигнала, а также операции передачи их в синтезатор выполняет цифровой сигнальный процес-

сор. Синтезируемый сигнал представляет собой сигнал двойной относительной фазовой манипуляции с косинусным скруглением по Найквисту формы спектра.

Создан измерительный стенд для записи реализаций сигналов, принятых в ходе трассовых испытаний. Использование измерительного стенда позволило получить записи реализаций сигналов декаметрового канала связи, дискретизи-рованные во времени и квантованные по уровню, представляемые исследователю в виде двоичных файлов, записанных на винчестер компьютера. Для работы измерительного стенда разработан пакет программ, обеспечивающих взаимодействие исследователя с платой аналого-цифрового преобразования и образцами приемопередающих радиостанций. Программы обладают большой гибкостью и позволяют оперативно изменять условия проведения экспериментов.

Разработана программно-аппаратная реализация системы согласования, композиции широкополосного сигнала и станционных помех с устройствами цифровой обработки. На рис. 6 приведена структурная схема системы согласования. Сигнал КВ-диапазона проходит через линейный тракт приемника. В нем сигнал на промежуточной частоте поступает на вход квадратурного демодулятора, где усиливается и переносится на нулевую частоту. Далее сигнал, представленный в виде синфазной и квадратурной составляющих, поступает с выхода ^-демодулятора на вход блока АЦП, откуда в виде цифрового потока данных передается в сигнальный процессор. Вся дальнейшая обработка сигнала осуществляется программным путем.

Рис. 6. Структурная схема системы согласования линейного тракта приемника с устройствами цифровой обработки

Созданные алгоритмы работы системы согласования, предлагаемые для реализации в .сигнальном процессоре, приведены на рис. 7. Реализованные алгоритмы функционируют в соответствий с выработанными теоретическими

требованиями, обеспечивающими минимизацию потерь, связанных с цифровым представлением ШПС, прошедшего линейный тракт приемника. Благодаря этому уровень потерь, обусловленный цифровым представлением, сопоставим с потерями, вносимыми в широкополосный сигнал ионосферным каналом связи.

Рис. 7. Алгоритмы работы системы согласования сигнала, прошедшего линейный тракт приемника, с устройствами цифровой обработки

Предложенные алгоритмы формирования управляющих сигналов обеспечивают выполнение теоретически обоснованного требования ко времени анализа среднего значения амплитуды сигнала на входе системы согласования. Для созданной программно-аппаратной реализации системы время анализа составляет 300 мс, что соответствует среднему значению интервала квазистационарности КВ-канала связи, рассчитанному в третьей главе на основе результатов трассовых испытаний. Предложенная программно-аппаратная реализация алгоритма позволила создать систему согласования аддитивной смеси широкополосного сигнала и мощных сосредоточенных помех с устройствами цифровой обработки. Экспериментально установлено, что предложенная система согласования обладает диапазоном регулирования равным 102 дБ. Проведенные трассовые испытания показали, что для реальных каналов связи использование созданных средств согласования позволяет минимизировать влияние нелинейных искажений при цифровой обработке.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель ионосферного канала связи, позволяющая определить влияние нелинейных фазовых искажений, вносимых в ШПС. В ходе теоретических исследований установлено, что при односторонней ширине спектра ШПС, не превышающей 25...30 кГц, потери в мощности широкополосного сигнала, обусловленные нелинейными фазовыми искажениями, не превышают 0.06 дБ для односкачковых трасс и 0.5 дБ для трех скачковых.

2. Проведен анализ методов передачи дискретной информации. Показано, что требуемое качество передачи дискретной информации обеспечивается при

нлплпплпчини ригиоппп Г" гЬяг>г\Шлй 'МЯЫИГ^ПЯиИР/Й ТЯК КЯК ТСИ-КЯНЯ.П ЯВЛЯвТСЯ

каналом с медленно изменяющейся фазовой характеристикой. Установлено, что в качестве носителя дискретной информации необходимо применять сигнал двойной относительной фазовой манипуляции с косинусным скруглением по Найквисту формы спектра.

3. Получены оценки эффективности цифрового представления сигналов при использовании средств согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки. Исследования позволяют сделать вывод, что применение аналого-цифровых преобразователей с числом значащих разрядов не менее 8 характеризуется потерями, связанным с цифровым представлением сигналов, не превышающими 0.1 дБ. Установлено, что минимум потерь имеет место при отношении 5.1 максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды сигнала на выходе линейного тракта приемника.

4. Проведены трассовые испытания позволившие определить временной интервал квазистационарности анализируемых сигналов в КВ-диапазоне. Полученное значение интервала характеризует время, в течение которого среднее значение амплитуды сигнала в КВ-канале связи изменяется не более чем на 17% и выступает в качестве интервала анализа среднего значения амплитуды сигнала.

5. Создан измерительный стенд для обработки и записи широкополосных сигналов. Для работы стенда разработан пакет программ, обеспечивающих взаимодействие исследователя с платой аналого-цифрового преобразования и образцами приемопередающих радиостанций.

6. Разработана система согласования, поддерживающая отношение максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды преобразуемой смеси ШПС и помех на уровне 5...5.5, что соответствует теоретически обоснованному значению. Для практической реализации системы согласования предложена двухконтурная система автоматической регулировки усиления и создано необходимое программное обеспечение.

7. Получены оценки эффективности системы согласования линейного тракта с устройствами цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона. Исследования позволяют сделать вывод, что благодаря использованию системы согласования происходит снижение на 6.5 дБ флуктуаций сигнала относительно значения, поддерживаемого на выходе линейного тракта приемника. В ходе экспериментов установлено, что предложенная система согласования обладает диапазоном регулирования равным 102 дБ.

8. Проведены трассовые испытания радиолинии КВ-диапазона с использованием ШПС на трассах протяженностью 1300 и 2200 км. Полученный выигрыш по вероятности правильного приема подтвердил целесообразность применения разработанных программно-аппаратных средств согласования линейного тракта и тракта цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Копысов А.Н., Симушин A.A., Климов И.З. Алгоритм построения частотно-временных матриц, для широкополосных систем связи // Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Десятая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. Т. 1. М.: МЭИ, 2004. - С.35 - 36.

2. Копысов А.Н., Симушин A.A., Климов И.З. Разработка измерительного стенда для приема и анализа широкополосных сигналов // Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Десятая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. Т. 1. М.: МЭИ, 2004. - С.36 - 37.

3. Симушин A.A., Копысов А.Н., Климов И.З. Сравнительные характеристики алгоритмов приема сигналов с дискретно частотной манипуляцией // Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Десятая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. Т. 1. М.: МЭИ, 2004. - С.61 - 62.

4. Симушин A.A., Богданов A.A., Копысов А.Н., Климов И.З. Измерение ам-пдитудночастотной характеристики и группового времени запаздывания в широкополосных трактах приемников // Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Десятая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез; докл. Т. 1. М.: МЭИ, 2004. - С.62 - 63.

5. Копысов А.Н., Симушин A.A. Измерительный стенд для приема и анализа сигналов с широкополосной несущей // Микроэлектроника и информатика — 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов.-М.: МИЭТ, 2004. - С. 312.

6. Копысов А.Н., Богданов A.A., Чувашов A.M., Климов И.З., Лихарев В.М., Рогознев C.B. Согласование в KB—канале динамического диапазона композиции широкополосного сигнала и станционных помех с устройствами цифровой обработки // XXI Военно-научная конференция: Материалы докладов. - Москва: В/ч 11135,20Ö5. - С. 51 - 56.

7. Копысов А.Н., Рогознев C.B., Чувашов А.М, Климов И.З., Богданов A.A., Лихарев В.М.,. Цифровая обработка сигнала КВ-диапазона с широкополосной несущей при воздействии станционных помех // XXI Военно-научная конференция: Материалы докладов. - Москва: в/ч 11135,2005. - С. 70 - 76.

8. Казанцев ДА., Копысов А.Н., Лопатин Д.О.: Анализ помехоустойчивости модема со многими несущими при нелинейных искажениях в ВЧ-каскадах приемопередающей аппаратуры // Вестник ИжГТУ. Периодический научно-теоретический журнал ижевского государственного технического университета №3. Ижевск: ИжГТУ, 2005 - С. 16 - 21.

9. Копысов А.Н., Казанцев A.A., Климов И.З. Согласование динамического диапазона широкополосного сигнала с устройствами цифровой обработки // Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. Т. 1. М.: МЭИ,2006.-С.55-56.

Ю.Копысов А. Н. Измерительный стенд для записи сигналов с широкополосной несущей // Вестник ИжГТУ, периодический научно-теоретический журнал Ижевского государственного технического университета, 2006, № 1. Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2006. - С. 57 - 60.

П.Копысов А.Н., Климов И.З Оценка стационарности декаметрового канала связи // Шестьдесят первая научная сессия, посвященная дню радио: Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. М.: 000"Инсвязьиздат", 2006. - С. 232-234.

12.Копысов А. Н., Лянгузов К.А., Бабинцев Е.С. Оценка интервалов квазистационарности декаметрового канала связи // Третья научно-техническая конференция "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства". Ижевск: ИжГТУ, 2006. (в печати).

13.Климов И.З., Копысов А.Н., Чувашов A.M. Оценка влияния магнитного поля земли на дисперсионные характеристики ионосферного декаметрового канала связи // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: сб. докладов Второй Всероссийской научной конференции-семинара. - Муром: МИ ВлГУ, 2006. - С.291 - 296.

М.Климов И.З., Копысов А.Н., Чувашов A.M. Обнаружение широкополосных сигналов с относительной фазовой телеграфией // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: сб. докладов Второй Всероссийской научной конференции-семинара. - Муром: МИ ВлГУ, 2006. - С.358 -363.

15.Копысов А.Н., Богданов A.A., Климов И.З. Согласование в КВ-канале динамического диапазона композиции широкополосного сигнала и станционных помех с устройствами цифровой обработки // Вестник ИжГТУ, периодический научно-теоретический журнал Ижевского государственного технического университета, 2006, № 3. Ижевск: изд-во ИжПТ, 2006. - С.60 - 63.

А ,/ „ -/А.Н. Копысов

В авторской редакции

Подписано в печать /4*.11.06.Формат 60x84/16. Усл. Печ. л. 1,25. Тираж 80 экз. Заказ № 294

Типография Издательства ИжГТУ 426069, Ижевск, Студенческая, 7

Список сокращений.

Введение.

Глава 1 Оценка влияния ионосферного канала связи на основные параметры широкополосного сигнала. Выбор метода модуляции.

1.1 Разработка математической модели ионосферного канала связи КВ-диапазона.

1.2 Оценка влияния многослойной ионосферы на фазовые искажения широкополосного сигнала.

1.3 Влияние неравномерности спектра широкополосного сигнала на основные характеристики радиолинии.

1.4 Сравнительная оценка методов передачи дискретной информации с использованием широкополосных сигналов.

1.5 Выбор вида модуляции.

1.6 Выводы по главе

Глава 2 Оценка искажений вносимых трактом приема в широкополосный сигнал.

2.1 Цифровое представление сигналов при использовании системы автоматической регулировки усиления.

2.2 Цифровое представление сигналов при жестком амплитудном ограничении.

2.3 Разработка математической модели ограничений в линейном тракте приема широкополосного сигнала.

2.4 Влияние ограничений в линейном тракте на качество приёма широкополосного сигнала

2.5 Выводы по главе

Глава 3 Определение основных параметров системы согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала с устройствами цифровой обработки

3.1 Методика оценки интервала анализа амплитудного значения сигнала на выходе линейного тракта приемника.

3.2 Определение интервала анализа амплитудного значения сигнала по результатам трассовых испытаний

3.3 Оценка эффективности предложенных алгоритмов программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала с устройствами цифровой обработки.

3.4 Выводы по главе

Глава 4 Практическая реализация разработанных программноаппаратных средств согласования

4.1 Разработка устройств обработки широкополосных сигналов

4.2 Разработка системы согласования линейного тракта приема с устройствами цифровой обработки

4.3 Лабораторные испытания устройств обработки широкополосных сигналов.

4.4 Выводы по главе

Современные системы связи характеризуются тем, что в них все в большей степени используются цифровые методы формирования и обработки сигналов, что дает возможность применять сложные алгоритмы при уменьшении массогабаритных и энергетических затрат. Большинство каналов связи загружены сигналами с амплитудной, частотной или фазовой модуляцией либо их разновидностями. Дальнейшее увеличение числа радиостанций с простыми сигналами нарушает функционирование телекоммуникационных устройств, уже работающих в каналах связи. К снижению качества связи ведут фильтрующие свойства каналов: нелинейные искажения; многолучёвость распространения; замирания сигнала, как быстрые, так и медленные [37, 56,74, 103]. Для снижения негативного влияния таких факторов и увеличения загрузки каналов связи разработаны и применяются средства связи[9, 16, 18, 20, 52, 56, 57, 60, 75], использующие: частотное и временное разделение сигналов, селекцию каналов по углу прихода, помехоустойчивое и корректирующее кодирование, а также другие методы, однако все они не дают кардинального решения проблемы.

Одним из перспективных способов повышения качества связи является использование телекоммуникационных систем со сложными сигналами, называемыми шумоподобными или широкополосными (далее ШПС) [9, 12, 72, 74, 97, 108]. К отличиям таких систем связи относят использование сигналов с более широкой полосой, чем полоса спектра передаваемых сообщений, как правило, в десятки - сотни раз. Для широкополосных сигналов характерна передача сигналов с меньшей спектральной плотностью, в сравнении с плотностью узкополосных помех в канале. Вопросы оптимального приема сигналов подробно изучены в классических работах Р. Найквиста, К. Шеннона, Р. Хемминга, Дж. Прокиса, В.А. Котельникова, А.А. Харкевича, В.И. Сифорова, Н.Т. Петровича, В.И. Тихонова, Б.Р. Левина, J1.M. Финка, а также Стратоновича, Ю.В. Гуляева, Д.Д. Кловского, Н.П. Хворостенко, Т. Кайлата, Дж.М. Возенкрафта, J1.E. Варакина, В.Б. Пестрякова, А.А. Сикарева, Г.И. Тузова, А.П. Трифонова, Ю.С. Шинакова, Б.И. Николаева, В.Г.

Карташевского и многих других отечественных и зарубежных авторов. 5

При низкой спектральной плотности широкополосных сигналов трудно выделить информационную составляющую на фоне мощных сосредоточенных помех и без знания структуры сигнала его обнаружение практически невозможно. Таким образом, применение систем связи со сложными сигналами позволяет повысить уровень защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа и обеспечивает большую энергетическую скрытность в сравнении с системами связи на базе узкополосных сигналов. Имеющаяся на сегодня элементная база позволяет создавать телекоммуникационные системы, использующие широкополосные сигналы, работающие в режиме реального времени [7, 19, 21, 35, 71, 74, 79, 80, 108]. Однако применение систем связи с широкополосными сигналами осложняется тем, что при реализации приемного устройства требуется выполнять ортогональные преобразования. Для выполнения этих процедур необходимо разрабатывать систему согласования сигнала прошедшего линейный тракт приемника с устройством квантования и дискретизации. Разрабатываемая система согласования должна обеспечивать минимизацию потерь, обусловленных цифровым представлением широкополосного сигнала, до уровней сопоставимых с потерями, вносимыми в ШПС ионосферным каналом связи. Таким образом, задача разработки методов приема-передачи двоичной информации, с помощью широкополосных сигналов для обеспечения информационной безопасности, в телекоммуникационных системах является актуальной.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема широкополосного сигнала с трактом цифровой обработки, функционирующих в условиях изменяющейся помеховой обстановки и позволяющих минимизировать потери при цифровом представлении широкополосных сигналов. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1 оценка влияния нелинейных фазовых искажений на широкополосный сигнал в ионосферном канале связи;

2 анализ методов передачи дискретной информации с использованием широкополосных сигналов;

3 исследование влияния амплитудного ограничения сигнала в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов;

4 оценка стационарности КВ-канала связи, выбор интервала квазистационарности и выработка требований, предъявляемых к основным параметрам системы автоматической регулировки усиления;

5 разработка программно-аппаратных средств согласования для реализации предложенных алгоритмов в аппаратуре приема дискретной информации;

6 проведение лабораторных и трассовых испытаний разработанных средств связи с широкополосными сигналами;

7 оценка эффективности предложенных алгоритмов программно-аппаратных средств.

Объектом исследования является цифровая система связи, функционирующая в сложной, быстро изменяющейся, помеховой обстановке. Предметом исследования является исследование нелинейных фазовых искажений широкополосного сигнала в ионосферном канале связи и программно-аппаратная реализация предложенных алгоритмов согласования линейного тракта с трактом цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.

При выполнении диссертационных исследований использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на численных методах решения дифференциальных уравнений, методах теории вероятности и математической статистики, а так же теории случайных процессов. Экспериментальные исследования проводились путем имитационного моделирования на моделях, адекватных реальной помеховой обстановке и натурных испытаниях макетов, использующих предложенные программно-аппаратные решения. В процессе выполнения исследований были получены следующие новые научные результаты:

1 установлена степень влияния нелинейных фазовых искажений ионосферного канала на основные характеристики энергетического спектра широкополосного сигнала;

2 определены требования к системе согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки с целью минимизации искажений, обусловленных цифровым представлением широкополосного сигнала; 7

3 разработана методика оценки стационарности КВ-канала связи для интервалов времени, соответствующих средней длительности передачи радиограмм;

4 создана программно-аппаратная реализация системы согласования при использовании широкополосного сигнала с неравномерным энергетическим спектром в случае малых отношений сигнал/помеха;

5 по результатам натурных испытаний определены условия эффективности использования разработанных автором правил функционирования системы согласования в приемнике широкополосных сигналов.

Практическую ценность представляют:

1 предложенная модель аддитивной смеси широкополосного сигнала и помех в КВ-канале связи, позволяющая на стадии проектирования синтезировать и исследовать алгоритмы функционирования системы связи с широкополосными сигналами;

2 основные параметры системы согласования линейного тракта и тракта цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона, рассчитанные на основе оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;

3 разработанные программно-аппаратные средства согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки, удовлетворяющие заданным требованиям к уровню потерь при цифровом представлении сигналов;

4 результаты натурных испытаний, подтверждающие эффективность реализации системы согласования при использовании в каналах с мощными станционными помехами.

На защиту выносятся теоретические разработки и программно-аппаратные решения по созданию алгоритма приема широкополосных сигналов, в том числе:

1 математическая модель ионосферного канала связи, учитывающая влияние нелинейных фазовых искажений, вносимых в широкополосный сигнал;

2 исследование эффективности цифрового представления сигналов при использовании разработанных программно-аппаратных средств согласования линейного тракта приема и тракта цифровой обработки;

3 методы оценки интервала квазистационарности КВ-канала связи;

4 научно-обоснованные технические решения, использованные при создании 8 измерительного стенда и образцов приемо-передающих радиостанций; 5 программно-аппаратная реализация алгоритма работы системы согласования линейного тракта с устройствами цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.

Результаты диссертационной работы используются на ОАО "Сарапульский радиозавод", приложение А, и в учебном процессе Ижевского государственного технического университета на кафедре "Радиотехника" в лекционном курсе "Цифровая обработка радиолокационных сигналов", приложение Б". Диссертационная работа основана на результатах научно-исследовательских работ, выполненных для ОАО "Сарапульский радиозавод".

Диссертация состоит из 4-х глав, содержание которых заключается в следующем. В первой главе изложены результаты исследования влияния ионосферного канала связи на основные параметры широкополосных сигналов.

Во второй главе решается задача исследования влияния амплитудного ограничения в линейном тракте на качество приема широкополосных сигналов при цифровом представлении. В рамках этой задачи минимизируется разрядность представления цифровых отсчетов сигналов при условии снижения потерь, связанных с ошибками квантования и амплитудного ограничения аналоговых сигналов.

В третьей главе вырабатываются требования к основным техническим характеристикам системы согласования, а так же проводится оценка эффективности созданных алгоритмов системы согласования. При решении поставленных задач проводится анализ стационарности КВ-канала связи и определяется величина интервала квазистационарности. На этапе анализа эффективности системы АРУ оценивается отклонение среднего значения амплитуды сигнала на выходе линейного тракта приемника.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практической реализации и проведения экспериментальных исследований разработанного при непосредственном участии автора, приемника дискретной информации с использованием широкополосных сигналов.

Общие выводы

1 Разработана математическая модель ионосферного канала связи, позволяющая произвести учет нелинейных фазовых искажений, вносимых в ШПС. В ходе теоретических исследований установлено, что при односторонней ширине спектра ШПС, не превышающей 25.30 кГц, потери в мощности широкополосного сигнала, обусловленные нелинейными фазовыми искажениями, не превышают 0.06 дБ для односкачковых трасс и 0.5 дБ для трех скачковых.

2 Проведен анализ методов передачи дискретной информации. Показано, что требуемое качество передачи дискретной информации обеспечивается при использовании сигналов с фазовой манипуляцией, так как КВ-канал является каналом с медленно изменяющейся фазовой характеристикой. Установлено, что в качестве носителя дискретной информации необходимо применять сигнал двойной относительной фазовой манипуляции с косинусным скруглением по Найквисту формы спектра.

3 Получены оценки эффективности цифрового представления сигналов при использовании средств согласования линейного тракта приемника и тракта цифровой обработки. Исследования позволяют сделать вывод, что применение аналого-цифровых преобразователей с числом значащих разрядов не менее 8 характеризуется потерями, связанным с цифровым представлением сигналов, не превышающими 0.1 дБ. Установлено, что минимум потерь имеет место при отношении 5.1 максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды сигнала на выходе линейного тракта приемника.

4 Проведены трассовые испытания позволившие определить временной интервал квазистационарности анализируемых сигналов в КВ-диапазоне. Полученное значение интервала характеризует время, в течении которого среднее значение амплитуды сигнала в КВ-канале связи изменяется не более чем 17% и выступает в качестве интервала анализа среднего значения амплитуды сигнала.

5 Создан измерительный стенд для обработки и записи широкополосных сигналов. Для работы стенда разработан пакет программ, обеспечивающих взаимодействие исследователя с платой аналого-цифрового преобразования и образцами приемо-передающих радиостанций.

6 Разработана система согласования, поддерживающая отношение максимального входного сигнала АЦП к среднему значению амплитуды преобразуемой смеси ШПС и помех на уровне 5.5.5, что соответствует теоретически обоснованному значению. Для практической реализации системы согласования предложена двухконтурная система автоматической регулировки усиления и создано необходимое программное обеспечение.

7 Получены оценки эффективности системы согласования линейного тракта с устройствами цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона. Исследования позволяют сделать вывод, что благодаря использованию системы согласования происходит снижение на 6.5 дБ флуктуаций сигнала относительно значения, поддерживаемого на выходе линейного тракта приемника. В ходе экспериментов установлено, что предложенная система согласования обладает диапазоном регулирования равным 102 дБ.

8 Проведены трассовые испытания радиолинии КВ-диапазона с использованием широкополосных сигналов на трассах протяженностью 1300 и 2200 км. Полученный выигрыш по вероятности правильного приема подтвердил целесообразность применения разработанных программно-аппаратных средств согласования линейного тракта и тракта цифровой обработки в приемнике сигналов КВ-диапазона.

1. Алексеев А.И., Шереметьев А.Г., Тузов Г.И., Глазов В.И. Теория применения псевдослучайных сигналов. М.: Наука, 1960 - 365с.

2. Алъперт Я. Я. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М., Наука, 1972-563с.

3. Арефьева J1.H., Березин Ю.В., Смирнов В.И. Эффект Допплера в ионосфере и помехоустойчивость приема многолучевого частично рассеянного сигнала // Радиотехника, 1990 -№ 12.

4. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами. -М.: Высшая школа, 1980- 152с.

5. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. "Радиотехника". 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2000 - 462с.

6. Березин Ю.В., Короткое П.И., Старченко В.В. Определение азимутального угла прихода многолучевого поля в ионосферном канале связи // Радиотехника, 1989 № 3.

7. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. / Пер с англ. -М.: Мир, 1989-448с.

8. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах М.: Связь, 1980 - 280с.

9. Борисов В.И, Зинчук В.М. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. М.: Радио и связь, 2003 - 640с.

10. Бухвинер В.Е. Дискретные схемы в фазовых системах радиосвязи. М.: Связь, 1974г.

11. Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования с большим динамическим диапазоном для IBM РС/АТ-совместимых компьютеров JIA-н150-14РС1. Руководство по эксплуатации. М.: ЗАО "Руднев-Шиляев", 2004 -49с.

12. Варакин JI. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985-284с.

13. Варакин JI.E. Теория систем сигналов. М.: Советское радио, 1978 - 304с.

14. Вентцель АД, Курс теории случайных процессов. 2-е изд., доп. М.: Наука. Физматлит, 1996 - 400с.

15. Вероятность и математическая статистика: Энциклопедия. / Под ред. Ю.В. Прохоров. М.: Большая Российская энциклопедия, 1999 - 910с.

16. Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. / Пер с англ., под ред. М.С. Пинскера и Б.С. Цыбакова- М.: Советское радио, 1974 720с.

17. Глинченко А.С. Цифровая обработка сигналов: В 2 ч. Ч. 1. Красноярск: Изд-во КГТУ, 2001 199с.

18. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. / Пер. с англ., под ред. A.M. Трахтмана. М.: Советское радио, 1973 - 368с.

19. Головин О.В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона. М.: Радио и связь, 1985 - 288с.

20. Гольденберг JJ.M. Цифровая обработка сигналов: Справочник. М.: Радио и связь, 1985-312с.

21. ГОСТ 14663-83 Приемники магистральной радиосвязи гектометрового-декаметрового диапазона волн. Параметры, общие технические требования и методы измерения. Москва: государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1983 -56с.

22. ГОСТ 22579-86 Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерения. Москва: государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1986 - 64с.

23. ГОСТ 24736-81 Преобразователи интегральные цифро-аналоговые и аналога цифровые. Основные параметры. Москва: государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1981 - 4с.

24. Гришин Ю. П., Ипатов В. П., Казаринов Ю. М. и др. Радиотехнические системы. М.: Высшая школа, 1990 - 496с.

25. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М: МобильныеТелеСистемы - Эко-Тренз, 1997 -240с.

26. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972 - 336с.

27. Дядюнов Н.Г., Сенин А.И. Ортогональные и квазиортогональные сигналы. -М.: Связь, 1977-233с.

28. Заездный A.M., Окунев Ю.Б., Рахович A.M. Фазоразностная модуляция и ее применение для передачи дискретной информации. М.: Связь, 1967 - 304.

29. Жодзишский М.И., Сша-Новицкий С.Ю. Цифровые приемники широкополосных радиосигналов // Радиотехника, 1968 № 3.

30. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1/ под ред. А.В. Перебаскина -М.: ДОДЕКА, 1996-384с.

31. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.: Наука, 1976-576с.

32. Кловский ДД. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. М.: Радио и связь, 1982 - 304с.

33. Кловский Д.Д., Конторович В.А. Модели непрерывных каналов связи на основе стохастических дифференциальных уравнений. М.: Радио и связь, 1984-248с.

34. Комарович В.Ф., Сосунов В.И. Случайные радиопомехи и надежность KB связи. М.: Связь, 1977 - 136с.

35. Копысов А.Н., Казанцев А.А., Климов И.З. Согласование динамического диапазона широкополосного сигнала с устройствами цифровой обработки //

36. Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. Т. 1. М.: МЭИ, 2006 С.55 - 56.

37. Копысов А. Н. Измерительный стенд для записи сигналов с широкополосной несущей //Вестник ИжГТУ, периодический научно-теоретический журнал Ижевского государственного технического университета, 2006, № 1. Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2006 С. 57 - 60.

38. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн 1. - М.: Советское радио, 1974-554с.

39. Лучанская Х.И., Хевролин В.Я. Синтез фазоманипулированных сигналов с идеальной взаимокорреляционной функцией // Радиотехника, 1984 г. -№6.

40. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989 - 656с.

41. Лосев А.К Теория линейных электрических цепей. М.: Высшая школа, 1987 -512с.

42. Матвеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002 - 440с.

43. Малыгин В.Б., Сергеев О.И., Чернов Ю.А. Оценка многолучевости КВ-сигнала по результатам импульсного наклонного зондирования // Радиотехника, 1982-№5.

44. Машбиц Л. М. Цифровая обработка сигналов в радиотелеграфной связи. М.: Советское радио, 1974.

45. Намазов С. А. О дисперсионных искажениях сигналов с ограниченным спектром при отражении от ионосферы // Радиофизика и электроника, 1984, №7, с. 1280.

46. Немировский А.С. Борьба с замираниями при передаче аналоговых сигналов. М.: Радио и Связь, 1984 - 208с.

47. Окунев Ю.Б. Системы связи с инвариантными характеристиками помехоустойчивости. М.: Связь, 1973.

48. Окунев Ю.Б. Теория фазоразностной модуляции. М.: Связь, 1979 - 215с.

49. Окунев Ю.Б., Яковлев Л.А. Широкополосные системы связи с составными сигналами. М.: Связь, 1968 - 167с.

50. Овчинников A.M., Воробьев С.В., Сергеев С.И. Открытые стандарты цифровой транкинговой радиосвязи. Серия изданий "Связь и бизнес" М.: МЦНТИ, ООО "Мобильные коммуникации", 2000 - 166с.

51. Отчёт по научно-исследовательской работе "Серпантин". Промежуточный // Ижевск, 2001 163с.

52. Отчет по научно-исследовательской работе "Серпантин". Итоговый // Ижевск, 2002-316с.

53. Отчет по научно-исследовательской работе "Серпантин". Часть 2 // Ижевск, 2003-207с.

54. Отчет по научно-исследовательской работе "Серпантин-ИС". Промежуточный // Ижевск, 2004 158с.

55. Отчет по научно-исследовательской работе "Серпантин-ИС". Итоговый // Ижевск, 2005 376с.

56. Отчёт по НИР "Разработка унифицированного модема на 2400 дв.ед./с. для систем передачи дискретной информации по KB радиоканалу" // ЛЭИС, 1974г.

57. Палшков В.В. Радиоприемные устройства. Учебное пособие. М.: Радио и связь, 1984-962с.

58. Паппас К.Х., Мюррей У.Х. III Отладка в С++ М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2001 -512с.

59. Первачев С.В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1982 -296с.

60. Перьков В.В. Согласованная фильтрация сложных сигналов многоканальным некоммутируемым фильтром // Радиотехника, 1982 № 7. - с.60-64.

61. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. М.: Советское радио, 1965

62. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Советское радио. 1969 - 232с.

63. Применение цифровой обработки сигналов. / пер. с англ. под ред. Э. Оппенгейма. М.: Мир, 1980 - 550с.

64. Прокис Джон. Цифровая связь. / пер с англ. под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 2000 - 800с.

65. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. М.: Радио и связь, 1987- 184с.

66. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Под ред. проф. Фомина Н.Н. М.: Радио и связь, 1996 - 512с.

67. Радиотехника: Энциклопедия / Под ред. Ю.Л. Мазора, Е.А. Мачусского, В.И. Правды. М.: Издательский дом "Додека-ХХГ, 2002 - 944с.

68. Рогознев С.В. Разработка и исследование алгоритмов функционирования приемника шумоподобных сигналов / Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Ижевск: ИжГТУ, 2002 - 130с.

69. Сахтеров В. К, Писарев Р. В., Лобзин В. В., Копейкин В. В., Резников А. Е., Железняков В. И., Швец Д. П. Коротковолновая широкополоснаярадиостанция «Ангара-5М» // Радиотехника и электроника, 2002, том 47, № 9, с.1149-1152.

70. Сборник: "Фазовая и относительная фазовая манипуляция". М.: Связь, 1967.

71. Сборник: "Методы помехоустойчивого приема ЧМ и ФМ сигналов". М.: Советское радио, 1976.

72. Сепдерский В.А. Помехоустойчивость квазикогерентного приема ФМ сигналов. М.: Связь, 1974.

73. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003 - 608с.

74. Сердюков П.Н., Швецов И.Ф. Выбор методов модуляции в цифровых радиоканалах. М: Специальная техника №4-5 1998, с.47-51.

75. Семёнов A.M., Старее А.А. Широкополосная связь. М., Воениздат, 1970 г.

76. Старее А.А., Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений. М.: Связь, 1978-328с.

77. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание. / пер с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2003 - 1104с.

78. Браунли К.А. Статистическая теория и методология в науке и технике. М.: Наука, 1977-408с.

79. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Корн. Г. М.: Наука, 1970-720 с.

80. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учебное пособие для вузов / под ред. Тихонов В.И. М.: Радио и связь, 2004 -608с.

81. С++ Builder 6. Справочное пособие. Книга 1. Язык С++ / Архангельский А.Я. М.: Бином-Пресс, 2002 544с.

82. С++ Builder 6. Справочное пособие. Книга 2. Классы и компоненты / Архангельский А.Я. М.: Бином-Пресс, 2002 528с.

83. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. М.: Советское радио, 1977-485с.

84. Тузов Г.К. Статистическая теория приёма сложных сигналов. М.: Советское радио. 1987-400с.

85. Тузов Г.И., Поставный В.И., Мудрое О.И. Исследование влияния режекции спектров сложных частотно-манипулированных сигналов на их корреляционные свойства//Радиотехника, 1988-№ 10.

86. Тузов Г.И., Сивов В.А, Быков В.В. Деформация корреляционной функции сложных сигналов в режекторах // Радиотехника, 1981 -№ 2.

87. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио, 1982-678с.

88. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и её приложения. М.: Мир, 1963 -510с.

89. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М., Советское радио. 1970-728с.

90. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ-диапазоне. М.: Связь, 1975 - 232с.

91. Цыкин И. А. Дискретно-аналоговая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1982-161с.

92. Цифровые радиоприемные системы: Справочник. / под ред. М.И. Жодзишского М.: Радио и связь, 1990 - 208с.

93. Чувашов А. М. Разработка и исследование алгоритма системы передачи дискретной информации по загруженным каналам связи / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Ижевск, ИжГТУ, 2000-148с.

94. Шувалов В.П. Захарченко Н.В. и др. Передача дискретных сообщений. М.: Радио и связь, 1990 - 464

95. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. / Под ред. Пестрякова В.Б. М., Советское радио. 1973 - 424с.

96. Doyle J.C. FeedBack Control Theory. Macmillian Publishing Co, 1990/ p.p. 208.

97. HaselgroveJ. Ray Theore and New Method for Ray-Tracing.// Proc. Camb. Conf., Phas. Ionosphere, The Physical Society, London, 1955, p.355.

98. Isaac Martinez G. Automatic Gain Control circuits. Theory and design.// ECE 1352 Analog Integrated Circuits. University of Toronto. Fall 2001.

99. Mouly M., Pautet M.B. The GSM System for Mobile Communications. 1992. p.p. 702.

100. Mehrotra A. Cellular Radio Performance Engineering. Artech House. 1994. p.p.536

101. Price R., Green P.E. A communication technique for multypath channels.// Proc. IRE., 1958, V. 46, № 3, p.555.

102. Quadrature Direct Digital Frequency Synthesizers Using Interpolation-Based Angle Rotation // IEEE Transactions on very large scale integration system, vol. 12, №7, july 2004.

103. Sosin B.M. HF Communication Receiver Performance Requirement & Realization II The Radio & Elektroniks Eng., 1971/ №7. - pp. 321-329.

104. Xiong Fugin Digital Modulation Techniques. Artech House. 2000 p.p. 670