автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка устройств слежения за задержкой сигналов с расширенным спектром при его искажении в канале связи

рго од

• 'Научно-производственное предприятие "Полет"

На правах рукописи

АНИСИМОВ Олег Михайлович

УДК 621.396.018.424

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ЗАДЕРЖКОЙ СИГНАЛОВ С РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРОМ ПРИ ЕГО ИСКАЖЕНИИ В КАНАЛЕ СВЯЗИ

Специальность 05.12.17— "Радиотехнические и телевизионные системы и устройства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород - 1993

Работа выполнена в Нижегородском научно-производственном предприятии "Полет".

Научный.руководитель: кандидат технических наук,

доцент Журавлев В.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, • профессор Шалфеев Б.Д.

кандидат технических наук Прокофьев Е.В.

Ведущее предприятие: Воронежский научно-исследовательский институт связи

Защита диссертации состоится "ЛС" 1Э34 г.

в часов на заседании специализированного совета

GCK ПО.01.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при НЛП' "Полет" по адресу: 603500, г. Н.Ковгород, пл. Комсомольская, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НШ1 "Полет".

Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук Здравомыслова O.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Сигналы с расширенным спектром (СРС) успешно используются в системах радиосвязи. Свойства этих сигналов в сочетании с оптимальными методами их обработки позволяют ослабить влияние помех, многолучевого распространения, обеспечить многостанционный доступ, уменьшит! вероятность радиоперехвата сообщений, совместить передачу информации и траекторные измерения. Последнее свойство используется при создании многофункциональных интегрированных систем связи между подвижными объектами. Из всех потенциальных достоинств, вызванных расширением спектра сигнала, видимо, наибольшую ценность представляет возможность противодействовать как организованным, так и непреднамеренным помехам. При этом, чем шире спектр сигнала, тем меньше влияние помех.

В настоящее время для радиоканалов передачи цифровой информации характерна сложная электромагнитная обстановка, обусловленная непрерывно увеличивающимся числом одновременно работающих радиосредств. В этих условиях высоковероятным типом помех будут сосредоточенные по спектру помехи (СП). Наличие СП характерно для KB, ДМВ и СВЧ диапазонов. Попадание мощных СП в полосу СРС может привести к существенному ухудшению энергетического бюджета радиолинии системы связи. Так как при современной занятости основных диапазонов радиочастот расширение спектра сигнала ограничено, то в системах связи с СРС используются различные методы подавления мощных СП, среди которых широкое распространение получил метод режекции мощных СП, поскольку он является одним из наиболее простых и эффективных.

Режекция является также идеализированной моделью глубоких частотно-селективных замираний СРС. В обоих случаях искажаются энергетический и фазовый спектры СРС, вследствие чего искажается автокорреляционная функция (АКФ) сигнала.

Для реализации потенциального выигрыша при приеме СРС требуется, в частности, обеспечение тактовой синхронизации опорного генератора ПСП следящего корреляционного приемника, составной частью которого является схема слежения за задержкой (ССЗ) СРС. Поскольку слежение за задержкой сигнала производится с использованием корреляционной обработки, режекция может привести к снижению точности слежения за задержкой, произойти ложная синхронизация или срыв синхронизации по задержке. Ухудшение параметров слежения за задержкой снижает помехоустойчивость приема сигнала. .

Целью диссертации является

1. Анализ характеристик известных ССЗ при искажениях спектра фазоманипулированного сигнала с прямым расширением спектра.

2. Разработка методов обработки СРС и устройств, реализующих эти методы, инвариантных к'-искажениям спектра.

3. Анализ статистических характеристик разработанных устройств.

4. Оценка помехоустойчивости следящего корреляционного приемника с известными и разработанными ССЗ.

5. Моделирование работы ССЗ.

Метода исследований. В диссертации используются спектральный

-г-

и корреляционный анализы, линейные и нелинейные преобразования

случайных процессов, элементы матричного анализа, вероятностный анализ, математический аппарат специальных функций, а также элементы имитационного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведен анализ влияния режекции участков, спектра сигнала на характеристики ССЗ для непрерывной и дискретной моделей огибающей спектра сигнала, включая неидеальность режекторных фильтров (РФ) и частотную расстройку, и на вероятность ошибки следящего корреляционного приемника.

2. Предложены пять методов коррекции дискриминационной характеристики (ДХ) ССЗ:

-взвешенное суммирование выходных- напряжений временных дискриминаторов (ВД) с различающимися интервалами расстановки копий псевдослучайной последовательности (ПСП);

-взвешенное суммирование напряжений на выходах РФ;

-взвешенное суммирование напряжений на выходах дополнительно введенных РФ в цепи опорных сигналов;

-взвешенное суммирование сумм и разностей копий ПСП с различающимися интервалами расстановки;

-интерполяция участков . спектра, утраченных в следствие режекции,- за. счет знания априорных и апостериорных сведений о ■комплексной, огибающей спектра принимаемого сигнала.

3. Проведено исследование характеристик помехоустойчивости ССЗ с корректируемой ДХ и следящего корреляционного приемника, использующего эти ССЗ. ' ;

Практическая ценность работы заключается в том, что-предложены четыре структурные схемы ССЗ с улучшенной точностью, которые могут быть использованы в -.системах связи с СРС, в частности, в спутниковой" коммерческой системе связи "Сигнал". Разработаны программы расчета на ЭВМ вектора весовых коэффициентов и .численного моделирования работы предложенных схем.

Практическая ценность работы. подтверждается

положительными решениями о выдаче патентов..

Практическое использование. Исследования по теме диссертации проводились в рамках плана научно-исследовательских работ в области разработки помехоустойчивых устройств .синхронизации систем.связи в соответствии с "Перечнем важнейших для отрасли-тем диссертационных.исследований на период 1991-19Э5 г.г-.".

Реализация в промышленности и внедрение. Основные научные результаты автора использованы в эскизном. проекте ОКР "Тема ЮОР", разрабатываемой при участии ВНИИС и МТУСИ.

. Использование результатов подтверждается актами о внедрении.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном семинаре "Нелинейные цепи и системы", г. Москва, 1992 г., Международной научно-технической конференции "Статистические метода в теории передачи и преобразования информационных сигналов", г. Киев, 1992 г., Всесоюзном научно-техническом семинаре "Синхронизация в

широкополосных системах связи" г.г.■Москва-Минск, IS9I г., xyii научно-технической конференции "Техника средств связи", г. Воронеж, 1992 г.

Публикации. По основным результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ и получены 4 положительных решения о выдаче патентов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, списков сокращений и условных обозначений, приложений и содержит 233 страницы машинописного текста, из них 136 страниц основного содержания, включая 81 рисунок на 19 страницах, список литературы из 119 наименований на 13 страницах, списки сокращений и условных обозначений на 5 страницах и приложений на 77 страницах.

На,защиту выносятся методы - -коррекции дискриминационной характеристики при искажении спектра сигнала к устройства, их реализующие

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы.

В первой главе проведен обзор публикаций по теме диссертации.

Рассмотрены известные реализации квазиоптимальных схем приема СРС, наблюдаемого на фоне суммы белого гауссовского шума и

СП, среди которых широкое применение нашел метод режекцш СП.

Отмечено, что режекция участков спектра СРС, пораженных СП, приводит к деформации АКФ СРС, что может ухудшить качество синхронизации и привести к ее срыву.

Ка основе проведенного обзора сформулированы задачи работы.

Во второй главе проведен анализ влияния рекекции СП на характеристики ССЗ, к которым относятся, в частности, ДХ, флуктуационная характеристика и дисперсия флуктуаций, приведенная ко входу ССЗ.

Получено выражение для ДХ при воздействии СП на вход дискриминатора.

Проведен анализ влияния рекекции на характеристики ССЗ с ■. :1';:11м»льным и квазиоптимальшм когерентным БД для непрерывной •.'■•д-зли огибающей энергетического спектра СРС.

Получено выражение для ДХ и рассмотрено влияние рекекции на нее и на флуктуационную характеристику для когерентного ЗД, в котором отсутствует зависимость ДХ от мощности : СРС за счет деления результата корреляционной обработки сигнала в канале с опорным сигналом в виде конечной разности на соответствующий результат в канале с опорным сигналом в виде суммы копий ПСП.

Рассмотрена дискретная модель огибающей энергетического спектра СРС, представленная в виде

в* (и) =

Г (to

sin —

N+1 1

0) А

2

2«

П=-со п?Ю

2% AN

1

+ —6(0)), К2

где N-база СРС; Д-длительность субэлемента CFC; второе слагаемое соответствует подавленной несущей СРС, которым при достаточно большом значении N можно пренебречь.

На основании этой модели получено выражение для ДХ

некогерентного ВД (рис. I), предназначенного для слежения за

задержкой СРС с инверсной манипуляцией Ь 17

2(6)=-

sino

7=1 п=(7-1)г+1

г7

7=1 п=(7-1 )г+1

где Рз -мощность СРС; 2Ь-число РФ; г-число составляющих спектра в полосе РФ; а^ и р - весовые коэффициенты в полосе РФ слева и справа от средней частоты СРС, равные I в случае включенного РФ и О в случае отключенного РФ с номером 7; Ат -интервал расстановки копий ПСП при формировании опорных сигналов; е -ошибка слежения, нормированная к Д.

-Н—0-

t

п

-Ы—0 Í

s02(t-T)

ФНЧ

J

т-ошбка слежения; БоЛ-опорные сигналы Рис. I.

оД 2

С использованием той же дискретной модели спектра получены выражения для флуктуационной характеристики и дисперсии ошибки слежения.

Широкое внедрение цифровых методов обработки сигналов делает целесообразным использование дискретных алгоритмов. обработки в частотной области. С использованием дискретного преобразования Фурье получено выражение для ДХ з частотной области

2(е) =

у—' -2 '

Re-

/ 1

/и. .J ,п=1

N-1

С .

пвх пД

где с

= с*

п Л п

М-1

к=0

п=1

пвх

.Re

N-1

С С nBX nS

п=1

М-1

i. fa +0 1

kL а 1 nj

е

- + -

к=0

-dw^i J 2 таг—"

мл

ЛД

М -число отсчетов копий ПСП на

интервале Д; -{x^J и - последовательности отсчетов входного сигнала и опорной ПСП; "*" - знак комплексного сопряжения.

Рассмотрено влияние на характеристики ССЗ яеидеальности .АЧХ РФ, когда последние имеют аппроксимацию Баттерворта.

В состав приемника СРС с некогерентной ССЗ входит устройство частотной автоподстройки (ЧАП), которое .в реальных условиях работает с ошибкой. Рассмотрено влияние этой ошибки на ДХ ССЗ, когда в качестве полосового фильтра ВД взят гауссов фильтр.

Проведена оценка влияния режекции на среднее время до срыва синхронизации по формуле

у

к

е1 е1

Тср=Вп° -Г [ | exp[U0(y)-U0(6)]dycL8-

-61-61

S1 £1

-в;1 -гГ Г exp[u0(y)-u0(e)]dyde. где pr=p-L f(a );

4 J J 2 Ъ у_4 ' '

с с Г- 1

О О

р -отношение сигнал/шум в полосе контура ССЗ Вп; постоянная с определяется по формуле г.

с =

Jexp[U (y)]dy

Jexp[U (y)]dy

; uQ(e)= -J- hQ(x)dx - потенциал шума;

к0(е)=г>-ргг(е) - восстанавливающая сила; и=рге0; е0 и е1 -установившееся значение ошибки синхронизации и граница апертуры ДХ соответственно.

В третьей главе разработаны пять методов коррекции ДХ. В соответствии с (I) введены следующие обозначения:

7=1 п=(7~1 )г+1 ъ гг

4¿^гаин^

eos

Гтспге^

7=1 п=(7~1)г+1 rt

n=(t-1 )гн

гк

п= (к-1 )г+1 Ъ

7=1 п=(7~1 )хм-1 Ь

7=1 п=(7~1)г+1 N

П=1

N

X ) ЗЗЛсЧ— СОВ-- ООБ -± ,

Ы I НА } I N ]

п=1

где ¿=1,Н; 1=1,Ь; к=1,Ь; 1=1,Н; Б - число интервалов расстановки копий ПСП; Ат0 - интервал расстановки копий ПСП, обеспечивающий требуемую форму ДХ, задаваемой выражением (I) при .

С использованием введенных обозначений инвариантность ДХ 'к режекции обеспечивается следующими соотношениями в матричной форме:

АЯ=Т?, (2)

В11ТОТСТ=Р, (3)

БШТ ЕТ=Г, (4)

где "т" - знак транспонирования.

Соотношение (2) является системой линейных уравнений, (3)-(4) - квадратичной формой.

Вектор весовых коэффициентов.* в (2) можно вычислить методом

Гаусса, а в (3, 4)-методом Ньютона-Канторовича.

Разработанные структурные схемы БД в соответствии с методами, определяемыми выражениями (2)-(4), приведены на рис. 2-5 и реализуются следующим образом:

-взвешенное суммирование выходных напряжений БД с различающимися интервалами расстановки копий (метод I);

-взвешенное суммирование напряжений на выходах РФ (метод 2);

Г

СРС+СП+

+ шум

-! РФ

АД I — З!еп

Кл

БЛОК ЗАЩИТЫ

АД-амплитудный детектор; Кл-ключ-. Рис. 2.

-взвешенное суммирование напряжений на выходах дополнительно введенных РФ в цепи опорных сигналов (метод 3);

-взвешенное суммирование сумм и разностей копий ГОЛ с различающимися интервалами расстановки (метод 4).

Аппаратурно вектор весовых коэффициентов формируется вычислителем, входными данными которого является информация о состоянии блока защиты.

Пятый метод обработки сигнала, удобный при реализации • в

СРС+СП+

+ шум

Г

ПФ

АД —>■

'т

V? Кл

Т.,1

БЛОК ЗАЩИТЫ

вд

z^в,t)

Рис. 3. ,

1 1

1 ПФ 1

СРС+СП+

+ шум

Г

ПФ

АД з±еп

Кл

ЕЛОК ЗАЩИТЫ

1 1 1

ВД

I- I !

ПФ

7

Рис. 4.

частотной области, основан на знании априорных и апостериорных сведений о комплексной огибающей спектра принимаемого -сигнала. Модуль и аргумент коэффициента Фурье, утраченного в следствие ренекции, определяются следующим образом:

твх пвх

■ | 'МП ■

-агз С

С =агя 0 -твх ° т

агз С ~<згё 0

п ° пах

где пит- номера коэффициентов Фурье, не подвергшихся и подвергшихся симметричной режекции соответственно, а^Сп и аг§Ст--аргументы п-го и ш-го коэффициентов Фурье, известные на приемном конце.

Получены характеристики помехоустойчивости ССЗ, использующих разработанные методы обработки сигнала.

ЗдЦ;. Дт .)

СРС+СП+

+ шум

Г

ПФ

г» .АД з1вп|

Кл ♦

БЛОК ЗАЩИТЫ

I 1 I

2

т

БД

гСе.-Н

I I Г

Рис. 5.

Вх

УПЧ

га—►

ПСПхсо5Ш11

ш

псп

•¡ссз!-

дёмодулятор

Вых

Рис. 6.

Произведена оценка• помехоустойчивости следящего корреляционного приемника :(рис. "б) с учетом ошибки слежения за задержкой сигнала, когда а- ССЗ используются разработанные методы

обработки по формуле для полной вероятности ошибки

00 •

Рош(а^|3^)=0.5 )/2)ы(е)<1£. где <о(е) - стационарная

-00

плотность- вероятности ошибки, слежения (в частном случае, при больших отношениях сигнал/шум, то есть з режиме высокой точности слежения, эта плотность приближается к гауссовской); Же.а+6 )

ч(е.а^+В )= гШ

7 т < Ь

-I—- отношение -сигнал/шум;

-Л

7=1

Ще.а^+р ) - корреляционная функция сигнала.

Проведено сравнение . помехоустойчивости приема при использовании разработанных методов коррекции дискриминационной характеристики по отношению к помехоустойчивости приемника, в ССЗ которого используется дискриминатор без коррекции.

В четвертой главе проведено имитационное

моделирование выходного процесса дискриминаторов, построенных в соответствии с разработанными методами обработки, во временной и частотной областях.

В . пр. вложениях приведены программы расчета на ЭВМ вектора весовых коэффициентов и численного моделирования работы'предложенных схем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Аналитически изучено влияние режекции участков спектра сигнала на характеристики ССЗ. При режекции участков спектра сигнала, имеющих наибольшую интенсивность, помехоустойчивость ССЗ и следящего корреляционного приемника ухудшается; на дискриминационной характеристике могут появиться дополнительные нули, а в истинном нуле крутизна дискриминационной характеристики может стать обратной. В первом случае возможна ложная синхронизация по задержке, во втором - неустойчивый режим работы ССЗ.

2. Разработаны методы коррекции дискриминационной характеристики ■ во ' временной и частотной областях и соответствующие им функциональные схемы временных дискриминаторов.

3. Получены статистические характеристики ССЗ, использующих разработанные методы коррекции.

4. Показано, что при режекции коррекция ДХ разработанными методами позволяет повысить помехоустойчивость следящего некогерентного корреляционного приемника на 1-1.5 дБ, а при наиболее неблагоприятных видах режекции, когда на ДХ присутствуют

ложные нули или крутизна ДХ меняет знак на обратный, обеспечивает слежение за задержкой.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Положительное решение о выдаче патента от 30.07.93 г. по заявке 487573S на предполагаемое изобретение "Адаптивное устройство поиска и слежения за задержкой широкополосного сигнала"/Авт.изобр. О.М. Анисимов.-Приоритет 16.10.ЭО г.

2. Положительное решение о выдаче патента от 30.07.93-г-, по заявке 4375794 на предполагаемое изобретение "Адаптивное устройство поиска и слежения за задержкой, широкополосного сигнала"/Авт.изобр. О.М. Анисимов, В.И. Журавлев.-Приоритет 16.10.90 г. '

3. Положительное решение о выдаче патента от 30.07.33 г. по заявке 4337359 на предполагаемое изобретение "Адаптивное устройство поиска и слежения за задержкой широкополосного сигнала"/Авт.изобр. О.М. Анисимов, В.И. Журавлев.-Приоритет 16.10.90 г.

4. Положительное решение о выдаче патента от 30.07.93 г. по заявке 4925340 на предполагаемое изобретение "Адаптивное устройство поиска и слежения за задержкой широкополосного сигнала"/Авт.изобр. О.М. Анисимов.-Приоритет 04.04.91 г.

5. Анисимов О.М. Алгоритм коррекции дискриминационной характеристики в схеме .слежения за задержкой. -Есесоюз. сем. "Синхронизация в широкополосных системах связи": Тез. докл. -Москва-Минск, 1931.

6. Анисимов О.М. Выбор интервала расстановки копий сигнала в

схеме слежения за задержкой. -Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи, 1990, вып. 2, с. 82-87.

7. Анисимоз О.М., Журавлев В.И. Анализ и оптимизация характеристик схемы слежения за задержкой при воздействии сосредоточенных помех. - Международный сем. "Нелинейные цепи и системы". В 2-х т.: Докл. -Москва, 1392.

• 8. Анисимов О.М., Куравлев В.И. Слежение за задержкой широкополосного сигнала с весовой обработкой в частотной области. -Техника рредств связи. Сер. Техника радиосвязи, 1392, вып. 2, с. 55-вб.

9. Анисимов О.М., Куравлев З.И. Слежение за задержкой широкополосного сигнала с интерполяцией в частотной области при режекции сосредоточенных помех. -Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи, 1992, вып. 2, с. 61-64.

10. Анисимоз О.М. Коррекция дискриминационной характеристики в схеме ,слежения за задержкой. -Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи, 1991, вып. 2, с. 54-60.

11. Анисимов О.М. Коррекция дискриминационной характеристики схемы слежения за задержкой с весовой обработкой в частотной области при режекции узкополосных помех. - хуы. науч.-техн. конф. "Техника средств сеязи": Тез. докл. - Воронеж, 1352.

• 12. Анисимов О.М. Синтез инвариантных к узкополосным помехам схем слежения за задержкой и анализ их ра'боты. -Международная науч.-техн. конф. ^Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов": Тез. докл. -Киев КНИГА, 1932 г.

АНИСИМОВ Олег Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ СЛЕЖЕНИЯ ЗА ЗАДЕРЖКОЙ СИГНАЛОВ^ РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРОМ ПРИ ЕГО ИСКАЖЕНИИ В КАНАЛЕ СВЯЗИ

Автореферат

Отпечатано на ротапринте в Институте прикладной физики РАН, 603600, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Зак. № 181. Тир. 60. 1993 г.