автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Помехозащищенные методы доведения информации в широкополосных системах в условиях комплекса помех

На правах рукописи

МАЙОРОВ Виталий Викторович

ПОМЕХОЗАЩИЩЕННЫБ МЕТОДЫ

ДОВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ КОМПЛЕКСА ПОМЕХ

Специальность 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2015

Работа выполнена в Акционерном обществе «КОНЦЕРН «СОЗВЕЗДИЕ».

Научный Малышев Иван Иосифович,

руководитель доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Официальные Нахмансон Геннадий Симонович,

оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», профессор кафедры радиотехнических систем (и средств обеспечения полетов);

Чернолес Владимир Петрович,

кандидат технических наук, профессор.

Военная академия связи им. Маршала Советского Союза

С.М. Буденного, начальник лаборатории

Ведущая ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный

организация университет телекоммуникаций и информатики»

(г. Самара)

Защита состоится « 28 » мая 201.4 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и на сайте www.vorstu.ru.

Автореферат разослан «¿V » ^ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

_ Макаров Олег Юрьевич

!оссиискля ; I (к:удл1'С I пг пиля I ниммоикА

20 Г,>

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В последние десятилетия широкое распространение получили системы телекоммуникаций с использованием широкополосных сигналов (ШПС), которые обеспечивают более высокие параметры по помехоустойчивости, разведзащищенности, эффективности использования радиочастотного спектра. В связи с большой загруженностью радиодиапазона частот основным фактором, препятствующим обеспечению достоверного доведения информации, является воздействие на вход приемного устройства различного вида помех: внешних и внутрисистемных помех, флюктуационных, узкополосных, импульсных, структурных помех (в том числе преднамеренных).

Во многих случаях задача доведения информации формулируется следующим образом:

- задан объем формализованного сообщения бит;

- предельное время, в течение которого кодограмма должна быть достоверно доведена максимальному количеству потребителей;

- кодограмма должна быть доведена до потребителя с вероятностью не ниже заданной р„рКдг > РпРкдг,ад •

Для многих систем управления процессами или объектами вероятность правильного приема кодограммы р>пркдгзад задается на уровне 0,9+0,98 и выше. Из этого требования следует, что для приема кодограммы с длиной ¿=100 бит необходимый уровень вероятности ошибки приема символа должен быть не более рО111=10"3. Для случая использования ортогональных сигналов и некогерентной обработки вероятности ошибки рош=103 соответствует вероятность ложного обнаружения (ЛО) рПо~3 10 ", при которой установление успешной синхронизации сложно реализовать. Чтобы обеспечить хотя бы равные вероятности ошибок при обнаружении и выделении информации, вероятность ЛО должна быть снижена более чем на порядок. Для этого при линейном корреляционном алгоритме требуется увеличивать энергию синхросигнала примерно в 2 раза. В то же время в реальных условиях из-за сложной помеховой обстановки и ограничений мощности передатчика вероятность ошибки приема символа может превышать уровень 102+10'. Очевидно, что для обеспечения необходимых вероятностей рпо, р„Ркдг является актуальной задача разработки новых помехозащищенных алгоритмов и методов синхронизации и приема. В связи с этим тема диссертационной работы «Помехозащищенные методы доведения информации в широкополосных системах в условиях комплекса помех» актуальна.

Степень разработанности темы исследования

Успешное доведение информации требует решения триединой задачи:

- разработка эффективных алгоритмов поиска и обнаружения;

- оптимизация методов синхронизации;

- оптимизация методов выделения информации.

При этом первоначально требуется провести исследование корреляционных свойств применяемых сигнально-кодовых конструкций.

Передача данных с применением ШПС теоретически известна давно. Еще во время Великой Отечественной войны академик В.А. Котельников разработал теорию потенциальной помехоустойчивости, опубликованную в 1956 году и ставшую основополагающей для последующих поколений ученых.

Обзоры ранних работ по применению ШПС в радиоуправлении и радиосвязи были сделаны профессором В.Б. Пестряковым в книге «Шумо-подобные сигналы в системах передачи информации», затем J1.E. Варакиным в книге «Системы связи с шумоподобными сигналами». Отдельным теоретическим и практическим вопросам по широкополосной передаче информации посвящено много публикаций. В литературе имеются также некоторые данные по характеристикам применяемых сигнально-кодовых конструкций, например, автокорреляционные функции (АКФ) и взаимокорреляционные функции (ВКФ) широко используемых М-последовательностей (МП) различной длины В=2'"~ 1, где т - степень порождающего многочлена. Приводятся их обобщенные параметры: среднее значение модуля боковых экстремумов, интервалы изменения наибольших боковых экстремумов ВКФ, спектральные характеристики. Эти сведения содержатся, например, в работах A.A. Бессарабовой, Н.И. Смирнова.

В упомянутой работе Л.Е. Варакина представлена интегральная оценка значений апериодических ВКФ, дающая среднеквадратическую величину I/V2fl. Однако такая оценка не позволяет судить о величинах максимальных экстремумов ВКФ. Приведенные в литературе данные недостаточны и получены косвенным образом, так как до настоящего времени нет метода нахождения оценок экстремумов по структурным свойствам сигналов. Таким образом, целесообразны дальнейшие исследования корреляционных свойств применяемых сигналов, оценка потенциальных возможностей алгоритмов их обнаружения и приема в условиях комплекса помех. Необходим системный подход к решению единой противоречивой задачи достоверного приема при действии комплекса мощных помех за ограниченное время, что в известных публикациях отсутствует или же рассматривается в идеализированном (упрощенном) виде.

Цели и задачи

Цель работы - повышение эффективности передачи данных в широкополосных системах управления в условиях действия комплекса флюктуационных, узкополосных, импульсных и структурных помех.

Для достижения цели необходимо решить следующие частные задачи:

1) исследование манипулирующих псевдослучайных последовательностей (ПСП) с улучшенными корреляционными свойствами;

2) разработка эффективных алгоритмов поиска и обнаружения ШПС в условиях комплекса помех с оценкой среднего времени поиска и синхронизации;

3) оптимизация методов различения ортогональных двоичных сигналов.

Объектом исследований является помехоустойчивая широкополосная

приемная аппаратура.

Предметом исследований является оптимизация методов поиска и

обнаружения, синхронизации и различения двоичных сигналов в условиях комплекса помех (пункт 11 паспорта специальности).

Научная новизна

1) в отличие от известных, в результате исследований выявлены свойства МП с четной степенью порождающего многочлена, связанные с величинами максимальных экстремумов ВКФ, их временными сдвигами и номерами соответствующих порождающих многочленов. Найденные экстремумы ВКФ прямо пропорциональны базе ШПС В, а не среднеквадратическому значению; МП с выявленными экстремумами ВКФ образуют между собой замкнутые пары или тройки в зависимости от степени порождающего многочлена;

2) в отличие от известных, разработанные для условий действия комплекса помех алгоритмы поиска и обнаружения ШПС основаны на использовании выявленных корреляционных свойств МП с четной степенью порождающего многочлена, заключающихся в том, что для парных МП ВКФ имеет сумму больших экстремумов, появляющихся при сдвигах кратных трети базы, равную постоянному значению (В-2), причем два последних экстремума всегда равны между собой;

3) в отличие от известных, новые аналитические результаты для адаптивного алгоритма цифрового накопления связывают вероятность правильного приема кодограммы с вероятностью правильного распознавания символа и временем обработки, отсутствующие в литературе.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость результатов работы состоит в том, что выявленные свойства МП с четной степенью порождающего многочлена, полученные аналитические результаты для оценивания и оптимизации вероятностно-временных характеристик (ВВХ) доведения информации вносят вклад в развитие теории широкополосных сигналов и теории передачи дискретных сообщений.

Практическая значимость состоит в том, что разработанные алгоритмы и методы позволяют эффективно функционировать радиолиниям систем управления в условиях действия флюктуационных, узкополосных, импульсных, структурных помех. Разработанные алгоритмы обеспечивают снижение вероятности ЛО более чем на порядок по сравнению с линейным алгоритмом корреляционной обработки.

Результаты диссертационной работы использованы в Воронежском государственном техническом университете в учебном процессе, а также в ОАО «Концерн «Созвездие» при разработке перспективной системы телекоммуникаций и при создании радиотехнических комплексов управления, что подтверждается наличием соответствующих актов.

Методология и методы исследования

При решении частных задач для достижения цели работы применялись следующие методы исследования: теория сложных сигналов, теория передачи дискретных сообщений, теория вероятностей.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие результаты:

- выявленные свойства МП с четной степенью порождающего многочлена;

- алгоритмы поиска и обнаружения ШПС в условиях комплекса помех, основанные на использовании выявленных корреляционных свойств МП с четной степенью порождающего многочлена;

- результаты оптимизации различения ортогональных двоичных сигналов методом цифрового накопления с мажоритарным правилом принятия решения.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных результатов и положений подтверждается высокой сходимостью результатов, полученных аналитическим путем, и результатов, полученных при моделировании, с экспериментальными данными, а обеспечивается обоснованным выбором исходных данных, применением существующих моделей сигнала и помех, корректным выбором основных допущений и ограничений при формулировании постановок задач и использованием современного, апробированного математического аппарата.

Результаты и положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях:

1. XIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2007 г.);

2. IX Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2008 г.);

3. XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009 г.);

4. X Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2009 г.).

По материалам диссертации опубликовано 10 статей и 5 докладов. Технические решения защищены четырьмя патентами.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка цитируемой литературы, содержащего 74 наименования. Объем диссертации составляет 125 страниц, включая 46 рисунков и 20 таблиц.

2 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе приводится краткий анализ задач развития теории обнаружения, синхронизации и приема ШПС в широкополосных системах. Важным направлением для этого развития следует считать исследование корреляционных свойств применяемых сигнально-кодовых конструкций.

Во втором разделе проводится исследование корреляционных свойств ШПС, манипулированных МП с четными степенями порождающих многочленов, и разработка на основе полученных результатов новых помехоустойчивых алгоритмов поиска и обнаружения.

В результате исследований выявлено, что для всех четных степеней т-Ь\ 8; 10; 12; 14; 16 определенные ВКФ МП имеют три больших экстремума Ям. Ли, сумма которых в каждом случае точно равна величине (В-2), и которые появляются при значениях временных сдвигов г 1=0, Т2=ВТ0/5 и Т3=2ВТ0/3 (Го - длительность элемента ШПС с базой В=2т-1), причем последние два экстремума оказались равными между собой в каждой ВКФ. Установлено, что такое свойство ВКФ проявляется для пар МП, элементы которых связываются друг с другом соответствующим индексом децимации д, вычисляемым по модулю В:

¡2 = [¡I Я]>по<1В , (1)

где 1/ = 0, 1.....(В - 1)- номер элемента первой МП;

|Ч= 0, 1, ..., (В- 1)- номер элемента второй МП; ц - индекс децимации (перестановки).

Найденные соответствующие значения q, которым характерны указанные свойства ВКФ МП, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Значения максимумов ВКФ МП с четными степенями ш

Степень m Ям (г i=0) Лй2(г 2=вГ(уЗ) ЛИ(Г з=2ЯГ(уЗ) Индекс децимации q

6 15 23 23 23

8 63 95 95 43

10 383 319 319 343

12 1407 1343 1343 683 и 1367

14 5631 5375 5375 2731

16 21503 22015 22015 21847

Для генерации МП используются известные табличные порождающие многочлены степени /и, которые приводятся с номерами Л/,. Из МП с номером многочлена N,■ путем перестановок элементов в соответствии с выражением (1) можно получить парную МП с номером N4, у которой с исходной МП ВКФ будет иметь значения Л/,i, Лы, причем

N„ = Ni Я- (2)

Однако во многих случаях результаты по формуле (2) не совпадают с номерами табличных многочленов. Для определения номеров парных МП, соответствующих существующим таблицам, необходимо воспользоваться полученными выражениями:

.. N, (В! 3 + (1;2)) mod В

N = —---, если N,'(B/2+( 1 \2))modB - четное;

2 (3)

Nv = [ N, ■( В/3 + (I ;2)) ■ 2' ] mod В, если Nf(B/3+( 1 ;2))modB - нечетное;

где t = 0, 1, ...,(m-l);7 = 0, 1.....(/и-1).

В (3) значение В/5 должно суммироваться с 1 или 2 в зависимости от того, какая сумма будет точно равна номеру табличного многочлена. В итоге из рассчитанных Nq„ Nltj надо взять наименьшее, которое и будет искомым N,,.

Для определения номеров парных и двойственных МП (с противоположным направлением двоичной записи многочлена) разработаны алгоритмы, по которым для степеней т =6; 8; 10; 12; 14 найдены номера всех МП, образующих пары с максимальными ВКФ. В таблицах 2; 3 представлены номера МП для степеней т=6; 8 соответственно. Для проверки полученных результатов для всех найденных пар МП рассчитаны их ВКФ.

Таблица 2 Номера МП для степени т=6

№ МП № парной МП № двойственной МП № парной к двойственной МП

t 23 31 5

5 13 23 и

11 1 13 31

Таблица 3 Номера МП для степени т=8

№ МП № парной МП № двойственной МП № парной к двойственной МИ

1 43 127 53

7 23 31 29

11 91 61 37

13 19 47 59

Для всех найденных пар при значениях г=0; В/3 и 2- В /3 ВКФ имеют три больших экстремума, сумма которых точно совпадает со значением (В-2). Последние два больших экстремума каждой ВКФ равны между собой. На рисунке 1 показана ВКФ МП с номерами многочленов N¡ =1; N(l =43 для степени т=8.

120-, R(r) 100 80 ■ 60 40 20

№ от тьттшмтщ^к

.) 50 в/3 '100 ' 150 2я/.' 200 2"(

Рис. I. ВКФ МП с номерами многочленов Ы/ = 1; Ып = 43 (/»=8)

Установлено, что для степеней т=8; 10; 14 каждая МП имеет одну парную, ВКФ которых имеют большие экстремумы. Таким образом, для т= 8 имеется 8 пар; для т= 10 имеется 30 пар; для т=14 имеется 378 пар. Для т=6; 12 все МП образуют тройки таких пар. Для т=6 все МП образуют две замкнутые тройки пар. Первая тройка: МП с номерами 1 и 23; 23 и 11; 11 и I. Вторая тройка: МП с номерами 31 и 5; 5 и 13; 13 и 31. Для степени т= 12 имеется 48 троек. Выявлено также, что для всех установленных пар или троек МП, соответствующие им двойственные МП также создают пары или тройки с максимальными ВКФ.

На основании выявленных свойств МГ1 разработаны пять новых алгоритмов поиска и обнаружения. На рисунке 2 представлена схема устройства для алгоритма поиска и обнаружения по сумме трех экстремумов ВКФ. Устройство построено на двух согласованных фильтрах (СФ), выполненных на основе

-20 -40

многоотводных линий задержки (МЛЗ). Первый СФ согласован с синхросигналом и содержит полосовой предварительный фильтр (ПФ), МЛЗ, первую фуппу аттенюаторов (АТ) и фазовращателей (ФВ) и первый сумматор, на его выходе сигнал детектируется в первом детекторе (ДТ1). Второй СФ согласован с сигналом, манипулированным парной МП, и содержит те же ПФ и МЛЗ, а кроме этого и другой ряд АТ и ФВ, а также сумматор 2, на выходе которого сигнал детектируется в детекторе ДТ2. После детекторов сигналы сравниваются с порогом в блоках сравнения с порогом БСП1 и БСП2.

Вход

У<1)

Линейная часть

ПФ

МЛЗ

Ат,,

ФВ„

АТ|>

гзс

ФВ,

АТ,;

Оценка среднего значения помехи

Порог

ФВ.

Сумматор 1

дт1

БСП1

Ат21

ФВ2,

13=

Ат21

ФВг

2П

Ат-.,

ФВ,

Ж

Сумматор 2

ДТ2

лз те

лз

2Т/Э

БСП2

Решение

Схема поиска

Выход

Рис. 2. Устройство поиска и обнаружения по сумме трех экстремумов ВКФ

В данном алгоритме вместе с функцией неопределенности сигнала, вычисляемой в линейном корреляционном алгоритме, рассчитываются три дополнительных функции неопределенности:

■'¡уЦ^а-тУе^Ж.

/у Т)=

I -3

(4)

(5)

■ш

(6)

где 52 - сигнал, манипулированный парной МП; ТА - время анализа. Если после линий задержки ЛЗ 773 и ЛЗ 2773 суммарное значение /?21+/?22+/?:з имеет уровень (В-2), то в БСП2 произойдет превышение порога. Если превышение произошло одновременно в БСП1 и БСП2, то принимается решение, что полезный сигнал обнаружен. Предлагаемый алгоритм более помехоустойчив, чем

7

линейный, так как здесь обнаружение одновременно зависит от двух событий. В результате вероятность ЛО будет снижена р„0- рпо\ ■ р„02 < Рт\.

Выявлено также, что два значения больших экстремумов ВКФ равны между собой /?А2(Вг</3)= /?ы(2Вг</3), причем для т=6, 8, 16, ... экстремум (0) по уровню несколько меньше а при /и=10, 12, 14, ... несколько

больше ИЬ2=Яьз. Если сравнивать между собой два экстремума, идущих через время ВГ(/3, то можно по разнице в уровне определить начало сигнала. На основе этого предлагается алгоритм и соответствующая схема поиска и обнаружения по разнице двух экстремумов ВКФ (рисунок 3).

Вход

>10

Линейная часть

ПФ

МЛЗ

Ат„

ФВ„

—

Лт]2 Ат,„

* *

ФВ |2 ФВ1/(

Для т =10, 12, 14... (для т=6, 8, 16 ... нужно поменять местами первый и третий выходы схемы сравнения)

и)

Сумматор I

ДТ1

| Порог П

БСП1

Ат2| =3=

ФВ21

Ат22

ФВ22

Ат2в —

фв2„

Сумматор 2

ДТ2

й)

^ Порог П

БСГ12

строб

ЛЗ 773

Схема сравнения

Я2 ^

я, ■

/?., < Я],

лз

7/3

ЛЗ

27/3

Выход

Схема поиск

Рис. 3. Устройство поиска с учетом разницы двух экстремумов ВКФ

Так как наиболее опасными структурными помехами будут являться как раз найденные парные сигналы, то необходимо разработать схемы защиты от их действий. Третий предлагаемый алгоритм поиска обеспечивает защиту отложного срабатывания при действии парных сигналов. Так как большие экстремумы ВКФ от парного сигнала всегда следуют через В/3 тактов, то это позволяет выявить их действие и с помощью логической обработки аннулировать.

На рисунке 4 представлен вариант схемы устройства, защищенного от ложного обнаружения парных сигналов.

На выходе БСП сигнал ИМ и задержанный на время ЙГ(уО сигнал г (/3) логически обрабатываются в соответствии с выражением

Щ1)-Я^-Вта/Ъ), (7)

в результате чего достигается аннулирование превышения порога обнаружения от действия структурной помехи в виде парного сигнала. Для него 1, /?;(Г-ВГ</3)=1, то /?'=1-1-1=0 - уровень логического нуля, свидетельствующий о том, что сигнал не обнаружен.

Вход

Линейная часть

ПФ

МЛЗ

АТ, АТ2

+

ФВ, ФВ2

ш

АТД

Оценка среднего значения помехи

ФВ„

Ж

Сумматор

дт

Порог

БСП

п

лз

С

и

НЕ

и

Схема проверки

Выход

Рис. 4. Устройство поиска ШПС с защитой от парных сигналов

Для снижения среднего времени поиска разработан алгоритм быстрого поиска на корреляторах с двумя параллельными каналами обработки. В первом канале стоит опорный генератор с копиями полезного сигнала, во втором - с копиями парного ему сигнала. При циклических временных сдвигах генераторов превышение порогового уровня во втором канале происходит в среднем приблизительно в три раза чаще за цикл. Если во втором канале превышение порога произошло, а в первом - нет, то генераторы сразу перестраиваются со сдвигом на В/3 тактов, а не на один, как в традиционном алгоритме. И далее при одновременном превышении порогов на выходах обоих БСП либо уже на данном интервале, либо, в худшем случае, на следующем временное положение сигнала может быть обнаружено. При этом величина 35/(5+3) характеризует снижение среднего времени поиска.

Разработан помехоустойчивый алгоритм поиска и обнаружения и для более широкого круга фазоманипулированных ШПС. В этом алгоритме применяется дополнительный канал обработки, согласованный с ШПС, половина которого совпадает с синхросигналом, а вторая - противоположна ему по фазе. При сравнении в двух каналах с пороговыми значениями Пь ШПС будет считаться обнаруженным в случае «непустого» решения системы неравенств:

Тг

Т, п = 0 Я

'„ ..о И

</„иа(1-н — -т)](11 < П3,

в

где d„ , п - {0... B-¡} - значения манипулирующей ПСП; U0 (t) - огибающая элементного сигнала. Влияние импульсных помех снижается за счет применения бланкирования и амплитудного ограничителя.

Разработанные алгоритмы исследованы с помощью моделирования, которое подтвердило их эффективность.

В третьем разделе приводятся результаты оптимизации методов синхронизации и выделения информации в условиях комплекса помех.

В сложной помеховой обстановке при осуществлении тактовой синхронизации с большим числом тактов целесообразно вести их подсчет и считать сигнал найденным, когда он присутствует в стробе на одноименных тактах в к следующих подряд периодах. После чего приемное устройство синхронизируется по этому сигналу и переходит в состояние синхронизма. Теперь уже для срыва синхронизации потребуется отсутствие сигнала в стробе в пс следующих подряд периодах.

Для вероятности синхронизации по пачке из к сигналов при к+пс испытаниях выведена общая формула: mi,

Л.....= H-V(G,-P(P» +P.J4 <а-р) р (рп +PJA) Щ ((1-P) P (PII +pMr Г). (9)

i=0

где p = p„ • (1 - pm + p ю С1- p)"'' - вероятность превышения порога обнаружения впервые на такте с сигналом (с номером В)-, рп - вероятность правильного обнаружения синхросигнала на В-ом такте; р„а - вероятность ЛО по помехе в любом такте: 1,2,..., В; коэффициенты G0= 1; Н0= пс;

для других /: G,= Н,= "£ j¡ - к):

i .-i >;-i ¿-i >к ti-2 j,-t v, - i* + i -1 ;;-.,-i)it¿-2

/дгт ( " ■ ) - наибольшее целое число, не превышающее "■ .

к +I к+1

На рисунке 5 представлена зависимость вероятности пропуска синхронизации р,ipc.iH =1-рс,шх по к ШПС подряд для нескольких значений вероятности р„.

10 20 30 40 50 60 70 л+„

Рис. 5. Вероятность рпрсин при анализе к+пс ШПС

Рассчитаны и построены графики вероятности ложной синхронизации рлсин, вероятности удержания синхронизма для различных к, пс. Из результатов следует, что значительное увеличение помехоустойчивости происходит при увеличении параметров к и пс, но это приводит к возрастанию среднего времени поиска Гп. Задаваясь в качестве начальных условий параметрами р„, р„а и требуемыми значениями рс„„х,рЛст и Т„, проведен выбор параметров синхронизации, позволивших снизить среднее время поиска в 3,4 раза. При действии помех, поражающих несколько тактов, за счет повышения параметра пс достигается увеличение среднего времени синхронной работы более чем на два порядка.

В третьем разделе также приведены результаты оптимизации алгоритмов выделения информации с цифровым накоплением и мажоритарным правилом принятия решения по z из и, где n=2z-1.

Для количества передаваемых копий кодограммы Л/кдг>и на приемной стороне возможны несколько алгоритмов обработки, например, последовательный алгоритм или алгоритм с обработкой различных сочетаний из передаваемых копий, для которого требуется запись в память. После записи п первых копий осуществляется мажоритарное принятие решения по каждому из L битов кодограммы. Далее происходит сравнение с ожидаемой кодограммой, и если имеется безошибочное соответствие, то кодограмма считается достоверно принятой. Если же имеются ошибки, то в соответствии с их количеством, можно оперативно задать другие значения параметров мажоритарной обработки z, п. Затем выбирается следующий вариант сочетания копий и так далее, пока не будут обработаны все возможные сочетания. Прием будет успешным, когда хотя бы один вариант позволяет получить достоверную кодограмму. Вариант схемы адаптивной обработки с перебором различных сочетаний показан на рисунке 6.

Рис. 6. Схема адаптивной обработки с записью копий

Для последовательного алгоритма вероятность правильного приема кодограммы после обработки Л/„дг копий имеет вид:

а»,,кдг = 1 - п - г I с;г1 - г р„т "1)' Л • (ю)

п

: зависимости £>1Пркдг для вероятностей ошибки в одном символе |510 " показан на рисунке 7.

3 5 ---2изЗ Рош=0,1

7 9

-2из3 Рош=0,05 -

11

• Зиз5 Рош=0,1

13

лг*

- 4из7 Рош=0,1

15

Рис. 7. Вероятность правильного приема кодограммы с длиной Ь= 100 бит (для последовательного алгоритма)

Для адаптивного алгоритма с записью копий вероятность правильного приема кодограммы имеет вид:

Рп ркдг=1-п-(±с'„(1- р.....)' Рм;" у р-. (Н)

График вероятности р„ркдгдля /,=100 бит ирош =10 '; 5-10 2 дан на рисунке 8.

РпрШ

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 -0,1 0

1........

-!-,-.....-

3 5 ---2изЗ Рош=0,1

7 9

-2изЗРош=0,05

11

• Зиз5 Рош=0,1

13 Л'кдг 15 ---4из7 Рош=0,1

Рис. 8. Вероятность правильного приема кодограммы с длиной ¿=100 бит (для адаптивного алгоритма с записью копий)

Из результатов расчетов следуют выводы. Во-первых, с увеличением значений параметров мажоритарной обработки г, я можно добиться значительного повышения вероятности рпркдг Для обоих алгоритмов. Во-вторых, алгоритм с

12

записью копий позволяет значительно повысить вероятность рпркдг для одного и того же Л'кдг по сравнению с последовательным алгоритмом. Согласно расчетам для г=2, п=3, рош=\0', /Укдг=9 он по сравнению с последовательным дает повышение вероятности р„Ркдг от 0,34 до 0,99.

Формула для времени выделения информации для адаптивного алгоритма с записью копий имеет вид:

тт = с;ш вт0 ■ 1о8р/ 1 -(I-Р]. (12)

где вероятность правильного принятия решения для одного символа

РПс = ±С'(1-рош)'рошп(13)

|=г

Определены параметры, обеспечивающие заданную достоверность РпРкдгзал=0,92 в условиях плохого качества канала для рош> 0,1.

В таблице 4 выделены параметры, удовлетворяющие требованиям по критерию вероятности правильного приема кодограммы для рош=0,2.

Таблица 4

1=4, п- =7 г=5, ч =9 г=б, и =11 1=7, п=13

N РппКДГ ГгЛ-Втп N ЛпрКЛГ КМ-Вто, N Р прКДГ т.уавт, N РпрКДГ Т,У(1.Вто)

8 0.24 8 9 0.138 1 11 0,31 1 13 0.495 1

9 0.709 36 10 0.775 10 12 0.988 12 14 1 14

10 0.984 120 11 1 55 13 1 78 1 =15

11 1 330 15 0,654 1

16 1 16

По полученным аналитическим результатам найдены оптимальные значения параметров мажоритарной обработки по критерию минимума времени выделения информации и по критерию минимума времени передачи информации, что позволило сократить 7"Ви в 5 раз. В зависимости от рош и /?пркдг значения параметров мажоритарной обработки, оптимальные для критерия минимума времени выделения информации, могут быть неоптимальными для критерия минимума времени передачи информации, поэтому при разработке необходимо выбирать подходящий критерий оптимизации.

В четвертом разделе представлена реализация результатов в двух приемных устройствах, в которых для борьбы с узкополосными помехами применены разработанные анализатор спектра с двадцатью параллельными каналами и подавитель помех. Проведена экспериментальная проверка приемных устройств. Полученные теоретические результаты и результаты моделирования сходятся с экспериментальными. Проведенные трассовые испытания также подтвердили эффективность разработанных приемных устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. По полученным аналитическим выражениям и разработанным в соответствии с ними алгоритмам выявлены новые свойства М-последовательностей с

13

четной степенью порождающего многочлена, связанные с величинами максимальных экстремумов ВКФ, их временными сдвигами и номерами соответствующих многочленов. Найденные экстремумы ВКФ прямо пропорциональны базе ШПС В, а не среднеквадратическому значению. М-последовательности с выявленными экстремумами ВКФ образуют между собой замкнутые пары или тройки в зависимости от степени порождающего многочлена.

2. Рекомендуемый подбор ансамбля сигналов и применение алгоритмов поиска и обнаружения, использующих корреляционные свойства М-последовательнос-тей, обеспечивают помехозащищенность и электромагнитную совместимость систем с ШПС. Разработанные алгоритмы поиска и обнаружения при отношении сигнал/помеха равном минус 20 дБ позволяют снизить вероятность ложного обнаружения более чем на порядок по сравнению с существующим линейным алгоритмом.

3. Предлагаемый помехоустойчивый алгоритм ускоренного поиска на корреляторах с использованием выявленных свойств ВКФ М-последо-вательностей позволяет сократить среднее время поиска в ЭВ/(В+3) раз.

4. Разработанный алгоритм поиска и обнаружения с селекцией структу-роподобных сигналов на основе функции неопределенности с противофазным сигналом при отношении сигнал/помеха равном минус 20 дБ и относительной длительности импульсных помех 3 % обеспечивает снижение вероятности ложного обнаружения в 4 раза по сравнению с линейным алгоритмом.

5. Полученные аналитические выражения для вероятностно-временных характеристик алгоритмов синхронизации по результатам обнаружения к тактовых точек подряд позволяют выбрать параметры, обеспечивающие в условиях комплекса помехувеличение среднего времени синхронной работы более чем на два порядка.

6. Новые аналитические результаты для оценивания и оптимизации вероятностно-временных характеристик различения ортогональных двоичных сигналов методом цифрового накопления позволяют повысить вероятность правильного приема кодограммы для заданного количества передаваемых копий. Согласно расчетам при вероятности ошибки символа равной 10"' адаптивный алгоритм повышает вероятность правильного приема кодограммы от 0,34 до 0,99 по сравнению с последовательным алгоритмом.

7. Полученные параметры мажоритарной обработки, оптимальные по критерию минимума времени выделения информации и по критерию минимума времени передачи информации, позволяют сократить временные затраты в 5 раз.

8. Технические решения, полученные на основе научных результатов, защищены четырьмя патентами.

9. Научные результаты использованы при разработке двух приемных устройств, испытания которых подтверждают результаты исследований и эффективность предлагаемых алгоритмов. Разработанные приемные устройства выпускаются серийно и находятся в эксплуатации.

10. Теоретические результаты диссертационной работы используются для подготовки студентов в учебном процессе Воронежского государственного технического университета. В качестве перспективных направлений дальнейших исследований по повышению эффективности доведения информации следует

назвать применение адаптивной цифровой фильтрации и использование турбокодирования в широкополосных системах в условиях комплекса помех.

Представленные в работе результаты исследований и технические решения могут найти применение при создании систем телекоммуникаций с ШПС.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Майоров, В.В. Имитационная модель для оценки вероятностей правильного и ложного обнаружений в устройствах поиска ФМШПС [Текст] /В.В. Майоров // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. - Воронеж, 2007. -Вып. 2. - С.39-43.

2. Майоров, В.В. Многокритериальная оценка качества сложных систем передачи информации и средств связи методом последовательного принятия решений с использованием совокупности несопоставимых критериев [Текст]/В.В. Майо-ров//Теория итехникарадиосвязи: науч.-техн. сб.-Воронеж, 2007.-Вып. 1.-С. 15-21.

3. Майоров, В.В. Методика выбора безопасной системы передачи информации при многокритериальной оценке с использованием нечетких показателей [Текст] / В.В. Майоров, А.И. Матвеев // Информация и безопасность. - Воронеж, 2005.-Вып. 1.-С. 87-92.

4. Майоров, В.В. Синергетический метод повышения помехоустойчивости устройств поиска фазоманипулированных шумоподобных сигналов [Текст] / В.В. Майоров // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. - Воронеж, 2008. -Вып. 1. -С. 98-101.

5. Майоров, В.В. Алгоритм поиска широкополосных сигналов в условиях действия комплекса помех [Текст] / В.В. Майоров // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. - Воронеж, 2009. - Вып. 2. - С. 49-53.

6. Майоров, В.В. Алгоритмы поиска широкополосных сигналов при действии структурных помех [Текст] / В.В. Майоров, A.A. Бессарабова, И.И. Малышев // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб.-Воронеж, 2012,-Вып. 4 - С. 17-23.

7. Майоров, В.В. Применение сигналов с расширением спектра М-последова-тельностями четных степеней [Текст] /В.В. Майоров, И.И. Малышев, A.A. Бессарабова// Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб.-Воронеж, 2013. -Вып. 1. -С. 51-57.

8. Майоров, В.В. Мажоритарное исправление ошибок методом цифрового накопления [Текст] / В.В. Майоров, И.И. Малышев // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. - Воронеж, 2013. - Вып. 3. - С. 23-27.

9. Майоров, В.В. Помехозащищенная синхронизация в сетях телекоммуникаций с применением широкополосных сигналов [Текст] / В.В. Майоров, И.И. Малышев, A.A. Бессарабова // Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. -Воронеж, 2013. - Вып. 3. - С. 28-36.

10. Майоров, В.В. Потенциальные возможности исправления ошибок методом мажоритарного правила принятия решения [Текст] / В.В. Майоров, И.И. Малышев, С.А. Акулинин // Радиотехника. - 2014. - № 6. - С. 37-42.

Патенты

1. Пат. 2268549 Российская Федерация, МПК Н 04 L 7/02, Н 04 В 1/10. Устройство поиска широкополосных сигналов [Текст] /Майоров В.В.. Лукьянчиков

15

В.Д., Калинин A.B., Кудаев A.B., заявитель и патентообладатель Воронеж, науч.-исслед. ин-т связи. - №2004115831/09; заявл. 24.05.04; опубл. 20.01.06, Бюл. № 02.

2. Пат. 2273953 Российская Федерация, МПК Н04В 1/10. Устройство поиска широкополосных сигналов [Текст] /Майоров В.В., Кудаев A.B., Калинин A.B., заявитель и патентообладатель Воронеж, науч.-исслед. ин-т связи. №2004136384/09; заявл. 14.12.04; опубл. 10.04.06, Бюл. № 10.

3. Пат. 2311733 Российская Федерация, МПК Н04В1/10, H04L7/02. Устройство поиска широкополосных сигналов [Текст] /Майоров В.В., Калинин

A.B., Кудаев A.B., Долгун Г.В., Стрельченко С.Ю., заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «Созвездие». №2006113898/09; заявл.24.04.06; опубл.27.11.07, Бюл. №33.

4. Пат. 2313183 Российская Федерация, МПК H04L 7/02. Устройство поиска широкополосных сигналов [Текст] /Майоров В.В., Кудаев A.B., заявитель и патентообладатель Воронеж, науч.-исслед. ин-т связи. №¡2004133989/09; заявл. 22.11.04; опубл. 20.12.07, Бюл. № 35.

Материалы конференций

1. Майоров, В.В. Применение теории нечетких множеств для оценки устройств поиска по критерию «помехоустойчивость-стоимость» [Текст] / В.В. Майоров //Кибернетика и высокие технологии XXI века: тез. докл. IX междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ООО НПФ «Саквоее», 2008. - Т. 1. - С. 471^175.

2. Майоров, В.В. Алгоритм поиска широкополосных сигналов при действии гауссовского шума, структурных и импульсных помех [Текст] /

B.В. Майоров // Радиолокация, навигация, связь: тез. докл. XV междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ООО НПФ «Саквоее», 2009. - Т.1. - С. 160-167.

3. Майоров, В.В. Применение амплитудного ограничителя для повышения помехоустойчивости систем радиосвязи с ШПС [Текст] / В.В. Майоров // Радиолокация, навигация, связь: тез. докл. XIII междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ООО НПФ «Саквоее», 2007. - Т.2. - С. 1150-1155.

4. Майоров, В.В. Имитационное моделирование алгоритмов поиска широкополосных сигналов [Текст] / В.В. Майоров // Кибернетика и высокие технологии XXI века: тез. докл. X междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ООО НПФ «Саквоее», 2009. - Т.2. - С. 462-166.

5. Майоров, В.В. Оценка помехоустойчивости алгоритмов поиска широкополосных сигналов при действии комплекса помех [Текст] / В.В. Майоров // Кибернетика и высокие технологии XXI века: тез. докл. X междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ООО НПФ «Саквоее», 2009. -Т.2. - С.467^71.

Подписано в печать 20.03.2015. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 40

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

15 - - 4 69 А

2010016667

2010016667