автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение эффективности асинхронных односторонних радиосистем передачи извещений при нестабильности частоты несущей

пузырёв павел иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННЫХ ОДНОСТОРОННИХ РАДИОСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИЗВЕЩЕНИЙ ПРИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ НЕСУЩЕЙ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

0мск-2013

005541093

005541093

ПУЗЫРЁВ ПАВЕЛ ИВАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННЫХ ОДНОСТОРОННИХ РАДИОСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИЗВЕЩЕНИЙ ПРИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ НЕСУЩЕЙ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ) на кафедре «Радиотехнические устройства и системы диагностики»

Научный руководитель: Косых Анатолий Владимирович,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Майстренко Василий Андреевич,

доктор технических наук, профессор зав. каф. «Средства связи и информационная безопасность» ОмГТУ, г. Омск

Зайцев Владимир Васильевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Инфокоммуникационные системы и информационная безопасность» ОмГУПС, г. Омск

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

технический университет», г. Новосибирск

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.178.01 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан » ноября 2013 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, 0мск-50, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д212.178.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.178.01 доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Односторонние асинхронные радиотехнические системы передачи информации (РСПИ) находят широкое применение в качестве охрано-пожарных систем, систем телеметрии и мониторинга, работающих в лицензируемом и нели-цензируемом диапазонах частот, и имеют ряд преимуществ: во-первых, малая стоимость развертывания системы в целом за счет минимизации стоимости объектовых устройств; во-вторых, уменьшение энергопотребления объектового устройства за счет исключения из работы цикла приема; в-третьих, возможность покрытия обширных территорий, при ограниченной мощности, за счет возможности использования малой символьной скорости передачи сообщений.

Вместе с тем, такие системы имеют ряд недостатков, таких как:

- меньшая гарантия доставки сообщения, по сравнению с радиосистемами, имеющими обратный канал;

- отсутствие возможности запроса со стороны приемного устройства (ПУ) конкретного объектового устройства (ОУ), не позволяющее синхронизировать работу всех ОУ, контролировать состояние ОУ в рабочем состоянии, запрашивать повторную доставку утерянного сообщения и т.д.;

- высокая вероятность наложения сообщений от несинхронизирован-ных ОУ.

Данные недостатки снижают реальную емкость систем (количество обслуживаемых ОУ) и повышают вероятность пропуска сообщения. К сожалению, вопросы улучшения качества работы таких систем исследованы недостаточно полно, что не позволяет в полной мере реализовать их потенциально высокую экономическую эффективность.

Повышение емкости системы за счет уменьшения эффективной полосы излучения (снижения символьной скорости передачи) приводит к тому, что начиная с некоторого значения, нестабильность несущей частоты становится соизмеримой с шириной спектра сигнала. Соответственно попытки увеличения емкости системы за счет уплотнения частотных каналов приведет к коллизиям. Коллизии являются одним из основных сдерживающих факторов применимости односторонних асинхронных РСПИ. Учитывая тот факт, что проблемы коллизий, применительно к системам с частотно нестабильными каналами, ранее не рассматривались, проведение исследований по данной тематике являются актуальными.

Помимо проблем, связанных с коллизиями пакетов, эффективность РСПИ также во многом определяется непосредственно помехоустойчивостью приемного устройства. Общие вопросы помехоустойчивости приема на сегодняшний день широко рассмотрены и для большинства случаев имеющийся научно-технический задел позволяет реапизовывать эффективные радиосистемы. Од-

нако до сих пор имеется узкий круг проблем, не раскрытых в полной мере. В частности, одной из них можно назвать вопрос влияния интерполятора Фэрроу в схеме символьного синхронизатора на помехоустойчивость приема при рассмотрении конкретных видов модуляций и конкретных схем реализации приемного устройства. Интерполятор Фэрроу представляет собой интерполятор Лагранжа, представленный в дискретной форме, и работающий с конечным числом выборок сигнала. Учитывая то, что интерполятор Фэрроу нашел широкое применение в узлах символьной синхронизации цифровых приемных устройств, данный вопрос требует более подробного рассмотрения.

Вопросами построения односторонних асинхронных систем занимались Г. С. Эйдус., В. В. Марков, М. Д. Вендиктов, Б. С. Цыбаков, Н. Б. Лиханов, В. И. Левенштейн, Дж. Мэсси, Ю. Чжанг, В. Шум, С. Вонг. Наиболее значимые работы по проблемам символьной синхронизации были опубликованы Ф. М. Гарднер, У. Менгали, Д. Д'Андреа, М. Незами.

Цель диссертационной работы.

Теоретические и экспериментальные обоснования рекомендаций для повышения достоверности доставки коротких сообщений в односторонних асинхронных радиосистемах в условиях нестабильности частоты несущей.

Задачи диссертационной работы.

- Определение вероятности потери пакетов в результате частотно-временных конфликтов в условиях нестабильности частоты несущей;

- Исследование влияния помехи по соседнему каналу на вероятность ошибки приема частотно-манипулированного сигнала;

- Исследование влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость ФМн и ЧМн сигналов.

Методы исследований. В работе использовались методы теории вероятностей, математической статистики и математического анализа, элементы теории статистической радиотехники, численный эксперимент, имитационное моделирование.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены следующие научные результаты:

- предложен способ определения вероятности наложения сигналов по частоте вследствие нестабильности опорных генераторов путем перехода к случайному частотному смещению с финитной плотностью вероятности;

- получены аналитические выражения, позволяющее определить вероятность коллизий пакетов в частотно-временном пространстве, учитывающее вероятностные характеристики случайного частотного смещения несущей. Полу-

чены и проанализированы частные решения для случая равномерного распределения случайного частотного смещения;

- определены границы и получены выражения, аппроксимирующие границы области влияния помехи по соседнему каналу для некогерентного корреляционного демодулятора и некогерентного демодулятора с линейным дискриминатором при приеме ЧМн сигналов;

- дополнены результаты исследований влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость сигналов с фазовой и частотной манипуляцией.

Достоверность результатов, полученных аналитическим путем, подтверждается проведенными численными экспериментами на ЭВМ. Достоверность результатов имитационного моделирования определяется корректным использованием исходных данных, а также верификацией модели путем сравнения результатов тестовых вычислений с известными результатами.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- получен алгоритм, позволяющий получить последовательности, избегающие конфликтов с минимальным интервалом гарантированного приема и максимальной энергетической эффективностью;

- приведены сравнения последовательностей, избегающих конфликтов, предложенных в работах Б. С. Цыбаковым и Н. Б. Лихановым, а также Ю. Чжанга, В. Шума, С. Вонга при разделении сообщений на два типа приоритетов.

- даны практические рекомендации для выбора порядка интерполятора Фэрроу, учитывающие влияния интерполятора на помехоустойчивость ФМн и ЧМн сигналов.

Положения, выносимые на защиту:

- Способ определения вероятности наложения сигналов по частоте вследствие нестабильности опорных генераторов путем перехода к случайному частотному смещению с финитной плотностью вероятности. Зависимость вероятности частотных коллизий от случайного частотного смещения при введении частотного расширения.

- Обоснование целесообразности применения попарно взаимно простых чисел при формировании закона распределения пакетов во времени с постоянным периодом следования. Аппроксимирующие выражения, позволяющие оценить минимальную вероятность потери пакета вследствие временных коллизий в зависимости от времени контроля.

- Зависимость битовой ошибки от помехи по соседнему каналу для час-тотно-манипулированного сигнала в случае, когда помехой выступает сигнал,

имеющий аналогичный вид модуляции и символьную скорость. Аппроксимирующие выражения, определяющие границы области влияния помехи по соседнему каналу.

- Рекомендации по выбору порядка интерполятора Фэрроу в схеме символьной синхронизации для сигналов с фазовой и частотной манипуляцией, основанные на исследованиях влияния интерполятора на помехоустойчивость.

Апробация результатов диссертации. Результаты докладывались на следующих конференциях:

- 13-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Институт проблем управления РАН, г. Москва, 2011 г.);

- 6-й Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 2012 г.);

- 5-й Межрегиональной научно-практической конференции «Броня-2010» (г.Омск, 2010 г.);

- 7-й Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2009 г.)

- Региональных научно-практических конференциях «Наука, образование, бизнес» (г. Омск, 2010, 2012 гг.).

Публикации. Материалы и основные результаты диссертационной работы были опубликованы 16 печатных работ, из них 4 статьи в научных изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК, 6 полнотекстовых докладов и 6 публикаций в виде тезисов докладов в сборниках трудов научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения, списка литературы из 104 источника, 3 приложения и содержит 109 страниц основного текста, 62 рисунка, 8 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, приведена научная новизна и практическая значимость работы. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 содержит анализ состояния вопроса и постановку проблемы исследования.

В зависимости от назначения радиосистемы передачи сообщений можно выделить следующие топологии сети, объединяющей элементы радиосистемы:

Топология типа «звезда», ячеистая топология и древовидная топология. Топология типа «звезда» имеет одну центральную станция и множество объектовых устройств. В ячеистой топологии каждое объектовое устройство соединяется с несколькими другими ОУ этой же сети, при этом любое из ОУ может выступать в качестве ретранслятора. Древовидная топология, по сути, является расширенной топологией типа «звезда», у которой в лучах располагаются ретрансляторы, хотя это не исключает возможности того, что в качестве ретрансляторов также выступают ОУ.

Очевидно, что в отсутствии обратного канала связи возможно построение сети только с топологией типа звезда и древовидная топология. При этом в древовидной топологии ретрансляторы по определению должны иметь возможность работы на прием, хотя ОУ могут и не иметь такой возможности. Из этого следует, что при рассмотрении однонаправленной радиосистемы в дальнейшем будем полагать, что речь идет о топологии типа «звезда», которая является самостоятельной сетью, или является частью более широкой сети с древовидной топологией.

С точки зрения алгоритма функционирования можно выделить синхронные и асинхронные радиосистемы. Учитывая специфику работы односторонних радиосистем можно сделать вывод о том, что синхронная работа возможна только в случае наличия внешнего синхронизующего сигнала, не относящегося к данной системе. Таковыми синхронизирующими сигналами могут являться сигналы точного времени, в том числе от глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАС, однако наличие встроенного приемника сигналов точного времени сужает область применимости системы радиопередачи сообщений, а также приводит к удорожанию ОУ. Исходя из этого, целесообразно уделить более глубокое внимание именно асинхронным односторонним радиосистемам.

Известно, что повышение помехоустойчивости системы, помимо снижением скорости передаваемой информации, можно достичь путем сужения ширины спектра сигнала, т. е. за счет уменьшения полосы приема, и, как следствие, уменьшения мощности внутриполосных помех. Таким образом, необходимо провести комплексную оценку видов модуляций, включая оценку спектральной эффективности, энергетической эффективности и сложность реализации прие-мо-передающих устройств.

В ходе проведения аналитического обзора было установлено, что сглаженные сигналы, такие как GMSK и GFSK, а также ФМн с фильтрацией, позволят сохранить высокую плотность каналов в частотном диапазоне. Для подобных сигналов необходимо обеспечить частотную отстройку соседних каналов порядка нескольких единиц (f0-f)Tb, где f0 - частота несущей сигнала, Ть - длительность бита. В случае, если мощности двух сигналов отличаются на 40 дБ, частотная отстройка должна составлять порядка 1,75 (f0-f)Tb для GMSK (h=0,5,

ВТЬ = 0,5) и 2.1 (^-Щь для вРБК (Ь=1, ВТЬ = 0,5), 2.1 №-0Ть для ОР8К 01=1, ВТь = 0,5), где В - полоса пропускания гауссовского фильтра нижних частот по уровню -3 дБ. В реальных условиях частотный разнос каналов должен быть ещё больше с учетом нестабильности опорных генераторов.

Глава 2 посвящена определению вероятности потери пакета в асинхронной односторонней радиосистеме передачи сообщений при нестабильности частоты несущей.

Вследствие долговременной, температурной и прочих нестабильностей опорных генераторов происходит смещение реальной частоты несущей сигнала от центральной частоты канала. Обозначим за случайный частотный сдвиг несущей сигнала, относительно центральной частоты канала /т, с финитной плотностью вероятностирт(/) с областью определения IV.

Приведем математическое выражение, описывающее групповой сигнал многоканальной системы, поступающий на вход приемного устройства:

5(0 = Яе

М . .

X (0ехр(у2я/(/т + 4т)+фт)+п(0

/и=1

О)

где -сдвиг частоты несущей сигнала относительно центральной частоты Гт канала; ат — ослабление и фт — фазовый сдвиг, возникающее в следствии распространении радиоволны в пространстве; л(<) — аддитивный шум; М - количество активных объектовых устройств, передающих сигнал

зт(1) = А{ 0ехр(у2^(0),

где А(1) — функция изменения амплитуды, 0(<) - функция изменения мгновенной фазы сигнала. Функция определена на интервале времени тт<Х< (тт + х), где гт - временной сдвиг начала пакета, г - длительность пакета. Будем считать, что сигналы объектовых устройств $т(г) имеют одинаковые энергии и априорные вероятности появления. Функции Л(1) и <9(г) задают закон модуляции и несут в себе информацию сообщения.

Плотность вероятности (ПВ) рт(/) определяется как параметрами самого генератора, так и средой, в которой работает генератор. Существенную роль в определении ПВ рт{/), является диапазон рабочих температур окружающей среды, зависимый от климата, времени года и места установки ОУ. С уменьшением ширины спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала становится возможным уменьшение частотного интервала между каналами с целью повышения канальной емкости системы. Однако если частотный интервал станет меньше IV, то появится вероятность наложения сообщений в частотной области, т.е. коллизии.

Для определения вероятности частотных коллизий с произвольной плотностью вероятности рт(/), автором было получено выражение:

р=

м

...+(-1)"Пл^(/)Ъ/,Где = + (2)

^ - нормированная относительно IV ширина СПМ сигнала. Из всего этого следует, что при разработке радиосистемы необходимо знать функцию плотности вероятности (ФПВ) случайного частотного смещения В общем случае для каждого типа частото-задающего элемента ФПВ будет уникальна. В связи с некоррелированностью смещения частоты передатчика относительно частоты настройки приемника было предложено использовать равномерное распределение:

Выбор ширины IV ФПВ рт(/) определяется исходя из следующего неравенства:

где Р - вероятность коллизии, которой можно пренебречь; ргеаМ) - реальная ФПВ, р - величина, принадлежащая области определения ргеа{0 и принимающая значение, при котором правая часть неравенства минимальна.

Подставляя выражение (3) в (2) и решая данный интеграл численными методами, были получены графики зависимости вероятности частотных коллизий от нормированной величины частотного разноса каналов Б = с1РЛУ при различном значении (I (рисунок 1). Из рисунка 1 следует важный вывод: если в заданном диапазоне частот работают М0 объектовых устройств с шириной СПМ сигнала то наименьшая вероятность частотных коллизий достигается в случае, когда несущие располагаются равномерно.

Для определения уровня, на котором определяется ширина СПМ сигнала й, предложено взять такое значение СПМ сигнала, при котором воздействие вне-полосной энергии соседних каналов будет пренебрежимо мало. В работе рассмотрено влияние частичного наложения СПМ сигнала соседнего канала с таким же видом модуляции и битовой скоростью на помехоустойчивость приема для следующих видов модуляций — частотная манипуляция (ЧМн, РБК), гауссова частотная манипуляция (ГЧМ, ОРБК) и гауссова частотная манипуляция с минимальным сдвигом (ГММС, ОМБК).

В работе использовались следующие типы демодуляторов: корреляционный некогерентный демодулятор и некогерентный демодулятор с линейным частотным дискриминатором.

(3)

со

р^Л-РМ+М/

(4)

—00

(о) (б)

Рисунок I. Зависимость вероятности частотных коллизий от О при различном <1. В одном частотном канале работает не более одного (а) объектового устройства, не более двух (б)

По результатам имитационного моделирования были получены зависимости битовой ошибки приема BER от нормированной частоты смещения dF Tb и амплитуды сигнала в соседнем канале относительно мощности сигнала основного канала (Amp) (рисунок 2) [1].

Используя полученные результаты, произведена оценка границ области влияния помехи по соседнему каналу. Установлено, что для сигналов со сглаживанием (ГММС, ГЧМ) границы области влияния имеют монотонный закон изменения, схожий с линейным (5 - 7):

к(ЛтР)с™ = АтР'2-87'10-2 + 0-95pF' Т/Му (5)

= Amp X 3.25. Ю-2 + 0.45^F' (6)

= + (7)

Выражения (5) и (6) приведены для некогерентного демодулятора с линейным частотным дискриминатором, выражение (7) приведено для корреляционного некогерентного демодулятора с предварительной фильтрацией.

Учитывая тот факт, что излучение идет не непрерывно, а пакетами, следует учитывать также временное распределение пакетов. Разобьём некоторый временной интервал на отрезки времени, называемыми окнами, большие либо равные длительности пакета. В случае если в окно попадет не более одного пакета, то передача считается успешной, если более одного, то возникает коллизия. Из литературы известны последовательности, определяющие закон распределения пакетов по времени, при помощи которых каждое ОУ успешно доставит хотя бы по одному пакету на некотором конечном интервале.

(а) (б)

Рисунок 2. Зависимость ВЕЛ для 2-ЧМн с приемом на корреляционный демодулятор (а), для ГММС с приемом на демодулятор с линейным дискриминатором (б)

Наиболее полно вопрос выбора данных последовательностей рассмотрен в работах Б. С. Цыбакова, Н. Б. Лиханова, Ю. Чжанга, В. Шума, С. Вонга. Данные последовательности называются последовательностями, избегающие конфликтов (ПИК), и удовлетворяют следующему требованию: прй любом цикличном сдвиге одной или нескольких последовательностей хотя бы один пакет в течение интервала гарантированного приема £ должен быть успешно доставлен от всех объектовых устройств. Гарантированная доставка сообщения достигается за счет избыточности. Каждый информационный пакет повторяется несколько раз в течение интервала гарантированного приема. При этом часть пакетов будет утеряна, однако минимум одна копия будет успешно доставлена.

Для сравнения различных последовательностей была введена характеристика — энергетическая эффективность последовательности, которая определяется как отношение энергии всех переданных сообщений на интервале I к энергии одного сообщения [17].

Анализ известных последовательностей, избегающих конфликтов, показал, что при увеличении ОУ в системе происходит увеличение интервала гарантированного приема ¿. При этом последовательности, избегающие конфликтов, хотя и обеспечивают гарантированную доставку сообщения содержащегося в одном или более копий пакета, однако имеют ряд недостатков: во-первых, имеют низкую энергетическую эффективность Е < 1/М; во-вторых, интервал гарантированного приема быстро увеличивается с ростом количества объектовых устройств ЬеЫи(М) 4М2 при М оо.

На практике во многих случаях допустима некоторая вероятность потери пакетов. Для формирования последовательностей с фиксированной вероятности коллизий было введено следующее условие: на каждые N окон должна быть одна и только одна коллизия, тогда задача сводится к поиску таких последовательностей, при которых обеспечивается максимум N. Период следования пакета для ш-го ОУ определяется через Тш = утт, где т - длительность пакета, у„ -число, принадлежащее множеству чисел {у}={у/, у2, ... , \'м}. Таким образом, множество {у} задает закон распределение пакетов во времени.

Было получено выражение, определяющее вероятность неудачной доставки пакета от т-то ОУ, в результате временной коллизии для т-го ОУ:

Р У-2^--у -2-+ + -?-

где НОК - наименьшее общее кратное, Данное выражение справедливо для любых последовательностей имеющих постоянный период повторения пакетов, однако из этого выражения также следует, что вероятность коллизии минимальна, когда период следования пакетов определяется через попарно взаимно простые числа (ПВПЧ).

Выбор попарно взаимно простых чисел следует осуществлять из интервала

, где Тк — время контроля, ТтХп — минимальное время событий.

Время контроля Тк — это время, в течение которого должно быть обязательно передано сообщение с учетом заданной вероятности потери. Минимальное время событий ТтЫ — это минимальное время, в течение которого происходит не более одного события на передающей стороне.

В случае, если период определяется через ПВПЧ, то выражение (8) можно записать в рекурсивной форме, более удобной для машинного вычисления:

+ --^",прии= {2, 3,..., М}, Рт,1 = 0, (9)

т т

где у„ - элемент последовательности {у'}, полученной путем перестановки элемента ут последовательности {у} таким образом, что уш=у'1.

Учитывая, что вероятность потери пакета зависит от соотношений чисел {у/, у2, ... , уи}, то для определения зависимости вероятности потери пакетов от величины М и Тк необходимо произвести поиск М попарно взаимно простых чисел, удовлетворяющих следующим условиям:

— Максимальное из найденных ПВПЧ не должно превышать значения Тк;

- Наименьшее общее кратное для всех чисел должно быть максимально для заданного М.

Для поиска попарно взаимно простых чисел, удовлетворяющих вышеописанным условиям, была написана программа, осуществляющая поиск ПВПЧ путем полного перебора. Используя найденные ПВПЧ, были получены зависимости вероятности временных коллизий в зависимости от нормированного ин-Тк

тервала контроля Н -

(рисунок 3). Из рисунка 3 видно, что, несмотря на

ломаный характер кривых, существует закономерность, по которой можно аппроксимировать зависимости аналитическими выражениями. Путем полиномиальной аппроксимации было получено выражение (10), позволяющее аппроксимировать вероятность потери пакета в интервале Н от 2 до 100 с ошибкой аппроксимации не превышающей 6 % при Н» М.

1 (Ю)

Рисунок 3. Зависимости вероятности временных коллизий в зависимости от нормированного интервала контроля

Как и в случае с временным распределением пакетов, с целью уменьшения вероятности коллизий возможно применение частотного распределение пакетов. Комбинирую методы частотного и временного распределения, можно добиться такого положения пакета в частотно-временном пространстве, при котором вероятность коллизий будет минимальна.

Аналогично методике для временного пространства, разобьем некоторый диапазон частот, называемый диапазоном расширения, на частотные окна. Частотное окно определяется шириной СПМ сигнала, а их количество К в диапазоне расширения определяет количество возможных вариантов положения пакетов в частотном пространстве. Тогда ФПВ случайного частотного смещения при равномерном распределении положения пакетов в К частотных окон будет определяться выражением:

(П)

ЗЦ-к)

рК(л= X „

*=0 Л-

(12)

где рк(/) - ФПВ смещения несущей при частотном расширении на К окон, ¿(/) -дельта-функция. Тогда вероятность частотного конфликта в результате случайного частотного смещение при наличии частотного расширения будет определяться через выражение:

Р= I РгМ) I Д^с,(/Ь

1</<А <,М \*т, к*т

(13)

ЩЛЛ= гМ+<*-1У)-^ (/-<*• »0 = I - / ■ (14)

—ОО —00

Количество конфликтующих ОУ при этом определяется через выражение:-

Ш + й-К

М = 2

И

(15)

Выражение (13) можно выразить в более удобном виде для численных вычислений на ЭВМ, используя рекурсию:

4,+7

Р= | РгМ)Х{№

(16)

где Х{/) определяется через рекурсивное выражение:

*.(/) = Х„_,(/) + Д^с .(/) (17)

при ХМ) = 0, п = {1, 3, ..., М), п ф г.

Выражение (16) было вычислено численными методами. Результаты вычислений приведены на рисунке 4 и в таблице 1. Исходя из полученных результатов сделан вывод, что в области малых вероятностей Рет с увеличением К происходит ухудшение, т. е. для достижения заданной вероятности РРт необходимо в К раз увеличивать нормированное расстояние между несущими И. Однако в области высоких вероятностей расширение частотного диапазона

дает выигрыш, который увеличивается с ростом величины Также, для некоторых <1, был найден максимальный выигрыш по вероятности потери пакетов Рр.тах, выраженного в процентах, и оптимальное значение смещения несущих йор„ на котором достигается максимальный выигрыш (таблица 1). Из таблицы видно, что даже при величине нормированной ширины СПМ сигнала с/, достигающей трех, выигрыш РР-тах не превышает 10%. При малых значениях й, не превышающих 0.5, выигрыш становится пренебрежимо малым.

Исходя из этого, можно сделать вывод о нецелесообразности применения частотного расширения для уменьшения вероятности коллизий в условиях нестабильности частоты несущей, соизмеримой с шириной СПМ сигнала, для ¿< 1.

(а) (б)

Рисунок 4. Зависимость вероятности частотной коллизии при частотном расширении на К окон для нормированной ширины СПМ сигнала «/=0.5. (а) в логарифмическом масштабе, (б) в линейном масштабе для высоких значений РГт

Таблица 1

К d = 0.1 d = 0.5 d = 1 d = 2 d = 3

Dopt PF,пи и % Dopt Рр,та*,% D0pt D0pi Dopt Рр,та1>%

3 0,017 1,546 3,058 5,670 5,8206

5 0,034 2,203 3,917 7,342 8,5019

7 0,063 2,494 4,250 7,711 9,3749

9 0,087 2,652 4,420 7,863 9,5102

11 0,2 0,109 0,9 2,752 1,6 4,523 3,5 8,004 5,4 9,5253

13 0,128 2,820 4,593 8,053 9,6544

15 0,143 2,870 4,643 8,096 9,7621

17 0,172 2,909 4,680 8,146 9,7645

19 0,200 2,938 4,710 8,161 9,7695

Глава 3 посвящена проблеме повышения достоверности приема за счет уменьшения потерь на интерполяторе символьного синхронизатора цифрового приемника. При демодуляции сигнала одной из наиболее сложной задачей является синхронизация тактовой частоты демодулятора (символьная синхронизация). Общая теория синхронизации достаточно широко представлена в научных трудах, однако существуют пробелы в вопросах частного применения конкретных цифровых решений.

Реализация схемы символьной синхронизации в цифровых устройствах на ПЛИС и цифровых сигнальных процессорах (ЦСП) представляет собой схему передискретизации с произвольным шагом изменения тактовой частоты, построенную на основе интерполятора. Как известно, любой интерполятор дает ошибку интерполяции, которая вносит искажения в сигнал и, как следствие, увеличивает вероятность ошибки на символ. В то же время в литературе отсутствует, как таковая, информация о выборе интерполяторов для схем синхронизации.

Наибольшую популярность получил интерполятор Фэрроу, т.к. является одним из самых эффективных с точки зрения вычислительных затрат [4]. Его можно представить цифровым фильтром с конечной импульсной характеристи-

м

кой, описываемый во временной области выражением: у(к) = ^Н(т,Е)х(к-т),

м=0

где у(к) - сигнал на выходе фильтра, х(к) - сигнал на входе фильтра, И(ш,е) - коэффициенты фильтра, зависящие от управляющего значения е.

Интерполятору Фэрроу, как и другим интерполяторам, свойственна ошибка интерполяции. Точкой с наивысшей ошибкой интерполяции является £=0,5. Это связано с тем, что при увеличении е АЧХ интерполятора на верхних частотах начинает спадать, и при £=0,5 крутизна спада максимальна, что в свою очередь искажает сигнал.

Для оценки влияния ошибки интерполяции на помехоустойчивость приема сигналов с частотной и фазовой манипуляцией, методом имитационного моделирования были получены графики зависимости вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум (рисунок 5). Оценка влияния интерполятора на сигнал оценивалось для случая с максимальными искажениями, т. е. при е=0,5. Моделирование проводилось при идеальной символьной и фазовой синхронизации для линии связи с аддитивным белым гауссовским шумом [2,3,14,15].

По результатам моделирования, приведенным в таблицах 2 и 3, было установлено, что для 8-ФМн при количестве отсчетов на символ N <2, в схеме символьной синхронизации необходимо применение кубического интерполятора Фэрроу. При N>4, целесообразным становится применение линейного интерполятора, т.к. общее количество умножений, приходящихся на один символ,

будет меньше чем у кубического интерполятора, при этом потери на линейном и кубическом интерполяторе будут сопоставимы [2].

(а) (б)

Рисунок 5. Зависимость вероятности символьной ошибки от отношения сигнал/шум для 8-ФМн-сигнала для линейного (а) и кубического (б) интерполятора Фэрроу

Для 2-ЧМн сигналов применение линейного интерполятора Фэрроу целесообразно при N>8, тем не менее, даже при N=8 потери на линейном интерполятор будут составлять 0.87 дБ против 0.08 дБ для кубического интерполятора.

Таблица 2. Потери на линейном и кубическом интерполяторах для 8-ФМн

Тип интерполятора Потери при Ре = 1(Г2, дБ Потери при Ре =10"', дБ

Линейный N=8 0,03 0,13

Линейный N=2 2,26 =5

Кубический N=8 0,06 0,1

Кубический N=2 0,14 0,35

Таблица 3. Потери на линейном и кубическом интерполяторах для 2-ЧМн

Тип интерполятора Потери при Рй = 10 1, дБ Потери при Ре = 10 дБ

Линейный N = 8 0,81 0,87

Линейный N = 4 0,89 1,3

Линейный N = 2 1,4 3,2

Кубический N = 8 0,11 0,08

Кубический N = 4 0,31 0,23

Кубический N = 2 1,02 0,7

В главе 4 рассматриваются вопросы практической реализации объектового устройства и пульта центрального управления асинхронной односторонней РСПИ, в которых применены основные результаты диссертационной работы. РСПИ предназначена для передачи тревожных сообщений от удаленных объектов по радиоканалу в диапазоне частот 433 МГц и включает в себя приемное и объектовые устройства (ОУ). Технические характеристики макета представлены в таблице 4. Фотография приемного устройства приведена на рисунке 6.

Таблица 4.

Диапазон частот 433,92±0,2% МГц

Скорость передачи данных 50 бит/с

Длительность пакета 2,32 с.

Вид модуляции ГММС (GMSK)

Состав пакета преамбула - 20 бит Синхрослово - 2 байта Информационное слово - 8 байт CRC - 2 байта

Чувствительность по критерию 90% успешно принятых пакетов -135 дБм (39 нВ)

Количество независимых каналов приема 2

Ширина канала приема 12,5 кГц

Количество одновременно обрабатываемых сигналов от ОУ в одном канале 128

Рисунок 6. Макет приемного устройства

Структурная схема приемного устройства приведена на рисунке 8. Схема включает в себя малошумящий усилитель МШУ; смесители СМ 1 и СМ2; кварцевый полосовой фильтр КПФ; генератор, управляемый напряжением ГУН1 и ГУН2; процессор цифровой обработки сигналов. Отличительной особенностью

схемы является то, что тракт второй ПЧ и аналого-цифрового преобразования выполнен на одной интегральной схеме АБ9874.

граммирования

Рисунок 8. Структурная схема приемного устройства

Так как частота передаваемого сигнала ОУ неизвестна, приемное устройство средствами ЦОС на базе сигнального процессора ТМ8320УС5509, производит обнаружение сигнала и оценку частоты на основе спектрального анализа с последующей узкополосной селекцией, демодуляцией и декодированием данных. Тактовая и цикловая синхронизация выполнена совместно с автоматической подстройкой частоты, алгоритм которой был предложен коллективом кафедры РТУ и СД ОмГТУ [5]. В качестве основного элемента узла тактовой синхронизации применен интерполятор Фэрроу 3-го порядка.

Результаты работы внедрены в серийном производстве РСПИ ООО «НТК «Интекс», а также применены ООО «НПФ «Альтего» при выполнении НИОКР в рамках федеральной целевой программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен способ определения вероятности наложения сигналов по частоте вследствие нестабильности опорных генераторов, основанный на замене частоты несущей случайной величиной с финитной плотностью вероятности. Получено выражение, позволяющее определить вероятность наложения сигналов по частоте. Получено частное решение, определяющее вероятность

наложения сигналов в частотной области для случая равномерного распределения случайного частотного смещения несущей.

2. Исследовано. влияние помехи по соседнему каналу для частотно-манипулированного сигнала, для случая, когда помехой выступает сигнал, имеющий аналогичный вид модуляции и символьную скорость. Получены аппроксимирующие выражения, позволяющие оценить влияния помехи по соседнему каналу.

3. Получено выражение, определяющее вероятность временной коллизии пакетов, с постоянным периодом следования. Установлено, что минимальная вероятность временных коллизий достигается при использовании попарно взаимно простых чисел в качестве задающих период следования пакетов. Для случая распределения пактов на основе попарно взаимно простых чисел получено аппроксимирующее выражение, позволяющее оценить минимальную вероятность потери пакета при нормированном интервале контроля от 2 до 100 с ошибкой аппроксимации, не превышающей б %.

4. Получены выражение, определяющее вероятность частотно-временной коллизии пакетов, при наличии случайного частотного смещения несущей и расширения частотного диапазона на К окон. Получено частное решение данного выражение для равномерного распределения случайного частотного смещения. По результатам частного решения установлено, что при переходе от од-ночастотного режима к частотному расширению на К окон происходит увеличение вероятности коллизий в области малых вероятностей (менее 10'1). В области высоких вероятностей коллизий (более 10"') возможно получить выигрыш, который не превышает 5% при нормированной ширине СПМ сигнала

1. Из чего следует, что применение частотного расширения в условиях нестабильности частоты несущей целесообразно только при малых значениях Д когда вероятность частотных коллизий приближается к единице.

5. Проведены исследования влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость сигналов с фазовой и частотной манипуляцией, позволяющие сформировать рекомендации для выбора порядка интерполятора.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для представления основных научных результатов кандидатской диссертации

1. Пузырёв П. И. Исследование влияния помехи по соседнему каналу на вероятность ошибки приема частотно-манипулированного сигнала // Омский научный вестник - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - №3 (113) - С. 344-348.

2. Пузырёв П. И., Василевский В. В. Выбор типа интерполятора для схем символьной синхронизации и исследование влияния интерполяции на помехо-

устойчивость приема фазоманипулированных сигналов // Омский научный вестник- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - №3 (103) - С. 309-311.

3. Пузырёв П. И., Косых А. В., Василевский В. В. Схема тактовой синхронизации фазовых видов модуляции в мультимодальных системах связи и управления // Вестник академии военных наук. - Москва, 2010. - №3 (32). -С. 303 - 308

4. Пузырёв П. И., Василевский В. В., Панюшкин В. А. Оптимизация схемы тактовой синхронизации программно-конфигурируемого цифрового приемника на процессоре TMS320VC55XX // Ползуновский вестник - Барнаул, 2010 - №2 - С. 196-200.

Свидетельства

5. Василевский В. В., Пузырёв П. И., Панюшкин В. А. Восстановление тактовой и цикловой синхронизации с автоматической подстройкой частоты. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010610217. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 января 2010 г.

Публикации в других изданиях

6. Василевский В. В., Пузырёв П. И. Частотная модуляция с непрерывной фазой // Наука, образование, бизнес: материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2008. - С. 164 - 166.

7. Василевский В. В., Завьялов С. А., Панюшкин В.А., Пузырёв П.И. Исследование способа автоматической подстройки частоты // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. - Москва, 2008. - Выпуск: XI-1 - С. 67-69.

8. Василевский В. В., Пузырёв П.И. Способы цифрового формирования сигналов с ОБП модуляцией // Наука, образование, бизнес, материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2009. - С. 208 - 211.

9. Пузырёв П. И., Одинец А. И. COFDM модуляция в стандарте DVB-T // Наука, образование, бизнес, материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2009. -С. 208-211.

10. Пузырёв П.И., Панюшкин В.А. Кварцевые генераторы с цифровой термокомпенсацией на основе частотных термодатчиков // Россия молодая: пе-

редовые технологии - в промышленность. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. Кн 1 -С. 206-209.

11. Василевский В. В., Пузырен П.И., Панюшкин В.А. Применение помехоустойчивых сигналов в низкоскоростной системе связи // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VII Международной научно-технической конференции - Омск, 2009. - Кн.З - С. 285 - 288.

12. Василевский В. В., Пузырев П.И., Панюшкин В.А. Разработка низкоскоростной сверхузкополосной системы связи для охранной сигнализации // Ползуновский альманах, 2009, №3. - Том 2 - С. 51 - 55

13. Василевский В. В., Пузырев П.И., Панюшкин В.А. Разработка специализированных микросхем для SDR систем связи // Омское время - взгляд в будущее: материалы региональной молодежной научно-технической конференции - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - Кн. 1. - С. 169 - 171

14. Василевский В. В., Завьялов С.А., Пузырев П. И. Схема тактовой синхронизации цифрового приемника сигналов с фазовой модуляцией // Наука, образование, бизнес: материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2010. - С. 199 -202.

15. Пузырев П. И., Косых А. В., Василевский В. В. Исследование влияния интерполятора Фэрроу в схеме символьной синхронизации на помехоустойчивость приема фазоманипулированных сигналов. Тр. Российского науч.-техн. о-ва радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова. Сер.: Цифровая обработка сигналов и ее применение. - М., 2011. - Вып.: XIII-2 - С. 235 - 238.

16. Пузырев П. И. Выбор совместимых частотных каналов с учетом влияния интермодуляционных продуктов третьего порядка. Наука, образование, бизнес. Материалы всероссийской, науч.- практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов пром. и связи, посвящ. 15-летию ИРСИД. - Омск: Изд-во КАН, 2012. - С. 189 - 192.

17. Пузырев П. И. Протокол односторонней асинхронной многоканальной системы передачи сообщений // Доклады VI Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». - М. : ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. - 2012. - Том 1. - С. 316 - 319.

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка О. Г. Белименко

Подписано в печать 18.11.13. Формат 60*84'/,6. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-нзд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 630.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический

университет»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННЫХ ОДНОСТОРОННИХ РАДИОСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИЗВЕЩЕНИЙ ПРИ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ НЕСУЩЕЙ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ПУЗЫРЁВ ПАВЕЛ ИВАНОВИЧ

Научный руководитель д.т.н. Косых Анатолий Владимирович

Омск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.........................................................9

1.1. Исследование спектральной эффективности сигналов.....................14

1.2. Исследование энергетической эффективности..................................26

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ПОТЕРИ ПАКЕТА В АСИНХРОННОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ РАДИОСИСТЕМЕ...........................31

2.1. Определение вероятности частотных коллизий................................33

2.2. Исследование влияния помехи по соседнему каналу на вероятность ошибки приема частотно-манипулированного сигнала........................................42

2.3. Исследование коллизий........................................................................51

2.4. Последовательности, избегающие конфликтов.................................53

2.5. Последовательности избегающие конфликтов с несколькими приоритетами.............................................................................................................60

2.6. Последовательности с фиксированной вероятностью коллизий.....63

2.7. Частотное распределение пакетов.......................................................72

2.8. Вероятность частотных коллизий при наличии случайного частотного смещения................................................................................................75

2.9. Вероятность частотно-временных коллизий пакетов.......................80

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНТЕРПОЛЯТОРА ФЭРРОУ В СХЕМЕ СИМВОЛЬНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИЕМА .....................................................................................................................82

3.1. Передискретизация в схемах символьной синхронизации...............84

3.2. Оценка влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость приема .................................................................................................................88

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................................93

4.1. Структурная и принципиальная схема объектового устройства.....95

4.2. Оценка чувствительности приемного устройства.............................97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................98

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................100

Приложение А. Код программы расчета ПИК...............................................109

Приложение Б. Код программы расчета ПВПЧ полным перебором...........110

Приложение В. Код программы расчета ПВПЧ методом вычитания.........112

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Односторонние асинхронные радиотехнические системы передачи информации (РСПИ) находят широкое применение в качестве охранно-пожарных систем, систем телеметрии и мониторинга, работающих в лицензируемом и нелицензируемом диапазонах частот, и имеют ряд преимуществ: во-первых, малая стоимость развертывания системы в целом за счет минимизации стоимости объектовых устройств; во-вторых, уменьшение энергопотребления объектового устройства за счет исключения из работы цикла приема; в-третьих, возможность покрытия обширных территорий, при ограниченной мощности, за счет возможности использования малой символьной скорости передачи сообщений.

Вместе с тем, такие системы имеют ряд недостатков, таких как:

- меньшая гарантия доставки сообщения, по сравнению с радиосистемами, имеющими обратный канал;

- отсутствие возможности запроса со стороны приемного устройства (ПУ) конкретного объектового устройства (ОУ), не позволяющее синхронизировать работу всех ОУ, контролировать состояние ОУ в рабочем состоянии, запрашивать повторную доставку утерянного сообщения и т.д.;

- высокая вероятность наложения сообщений от несинхронизированных ОУ.

Данные недостатки снижают реальную емкость систем (количество обслуживаемых ОУ) и повышают вероятность пропуска сообщения. К сожалению, вопросы улучшения качества работы таких систем исследованы недостаточно полно, что не позволяет в полной мере реализовать их потенциально высокую экономическую эффективность.

Повышение емкости системы за счет уменьшения эффективной полосы излучения (снижения символьной скорости передачи) приводит к тому, что начиная с некоторого значения, нестабильность несущей частоты становится соизмеримой с шириной спектра сигнала. Соответственно попытки увеличения

• г V

1*1»

емкости системы за счет уплотнения частотных каналов приведет к коллизиям. Коллизии являются одним из основных сдерживающих факторов применимости односторонних асинхронных РСПИ. Учитывая тот факт, что проблемы коллизий, применительно к системам с частотно нестабильными каналами, ранее не рассматривались, проведение исследований по данной тематике являются актуальными.

Помимо проблем, связанных с коллизиями пакетов, эффективность РСПИ также во многом определяется непосредственно помехоустойчивостью приемного устройства. Общие вопросы помехоустойчивости приема на сегодняшний день широко рассмотрены и для большинства случаев имеющийся научно-технический задел позволяет реализовывать эффективные радиосистемы. Однако до сих пор имеется узкий круг проблем, не раскрытых в полной мере. В частности, одной из них можно назвать вопрос влияния интерполятора Фэрроу в схеме символьного синхронизатора на помехоустойчивость приема при рассмотрении конкретных видов модуляций и конкретных схем реализации приемного устройства. Интерполятор Фэрроу представляет собой интерполятор Лагранжа, представленный в дискретной форме, и работающий с конечным числом выборок сигнала. Учитывая то, что интерполятор Фэрроу нашел широкое применение в узлах символьной синхронизации цифровых приемных устройств, данный вопрос требует более подробного рассмотрения.

Вопросами построения односторонних асинхронных систем занимались Г. С. Эйдус., В. В. Марков, М. Д. Вендиктов, Б. С. Цыбаков, Н. Б. Лиханов, В. И. Левенштейн, Дж. Мэсси, Ю. Чжанг, В. Шум, С. Вонг. Наиболее значимые работы по проблемам символьной синхронизации были опубликованы Ф. М. Гарднер, У. Менгали, Д. Д'Андреа, М. Незами.

Цель диссертационной работы.

Теоретические и экспериментальные обоснования рекомендаций для повышения достоверности доставки коротких сообщений в односторонних асинхронных радиосистемах в условиях нестабильности частоты несущей.

Задачи диссертационной работы.

- Определение вероятности потери пакетов в результате частотно-временных

конфликтов в условиях нестабильности частоты несущей;

- Исследование влияния помехи по соседнему каналу на вероятность ошибки

приема частотно-манипулированного сигнала;

- Исследование влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость ФМн и

ЧМн сигналов.

Методы исследований. В работе использовались методы теории вероятностей, математической статистики и математического анализа, элементы теории статистической радиотехники, численный эксперимент, имитационное моделирование.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены следующие научные результаты:

- предложен способ определения вероятности наложения сигналов по частоте вследствие нестабильности опорных генераторов путем перехода к случайному частотному смещению с финитной плотностью вероятности;

- получены аналитические выражения, позволяющее определить вероятность коллизий пакетов в частотно-временном пространстве, учитывающее вероятностные характеристики случайного частотного смещения несущей. Получены и проанализированы частные решения для случая равномерного распределения случайного частотного смещения;

- определены границы и получены выражения, аппроксимирующие границы области влияния помехи по соседнему каналу для некогерентного корреляционного демодулятора и некогерентного демодулятора с линейным дискриминатором при приеме ЧМн сигналов;

- дополнены результаты исследований влияния интерполятора Фэрроу на помехоустойчивость сигналов с фазовой и частотной манипуляцией.

Достоверность результатов, полученных аналитическим путем, подтверждается проведенными численными экспериментами на ЭВМ. Достоверность результатов имитационного моделирования определяется корректным использованием исходных данных, а также верификацией модели путем сравнения результатов тестовых вычислений с известными результатами.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- получен алгоритм, позволяющий получить последовательности, избегающие конфликтов с минимальным интервалом гарантированного приема и максимальной энергетической эффективностью;

- приведены сравнения последовательностей, избегающих конфликтов, предложенных в работах Б. С. Цыбаковым и Н. Б. Лихановым, а также Ю. Чжанга, В. Шума, С. Вонга при разделении сообщений на два типа приоритетов.

- даны практические рекомендации для выбора порядка интерполятора Фэрроу, учитывающие влияния интерполятора на помехоустойчивость ФМн и ЧМн сигналов.

Положения, выносимые на защиту:

- Способ определения вероятности наложения сигналов по частоте вследствие нестабильности опорных генераторов путем перехода к случайному частотному смещению с финитной плотностью вероятности. Зависимость вероятности частотных коллизий от случайного частотного смещения при введении частотного расширения.

- Обоснование целесообразности применения попарно взаимно простых чисел при формировании закона распределения пакетов во времени с постоянным периодом следования. Аппроксимирующие выражения, позволяющие оценить минимальную вероятность потери пакета вследствие временных коллизий в зависимости от времени контроля.

- Зависимость битовой ошибки от помехи по соседнему каналу для частотно-манипулированного сигнала в случае, когда помехой выступает сигнал, имеющий аналогичный вид модуляции и символьную скорость. Аппроксимирующие выражения, определяющие границы области влияния помехи по соседнему каналу.

- Рекомендации по выбору порядка интерполятора Фэрроу в схеме символьной синхронизации для сигналов с фазовой и частотной манипуляцией, основанные на исследованиях влияния интерполятора на помехоустойчивость.

Апробация результатов диссертации. Результаты докладывались на следующих конференциях:

- 13-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Институт проблем управления РАН, г. Москва, 2011 г.);

- 6-й Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, 2012 г.);

- 5-й Межрегиональной научно-практической конференции «Броня-2010» (г. Омск, 2010 г.);

- 7-й Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2009 г.)

- Региональных научно-практических конференциях «Наука, образование, бизнес» (г. Омск, 2010, 2012 гг.).

Публикации. Материалы и основные результаты диссертационной работы были опубликованы 16 печатных работ, из них 4 статьи в научных изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК, 6 полнотекстовых докладов и 6 публикаций в виде тезисов докладов в сборниках трудов научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения, списка литературы из 104 источника, 3 приложения и содержит 109 страниц основного текста, 62 рисунка, 8 таблиц.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

До настоящего времени односторонним асинхронным радиосистемам уделялось мало внимания. Это связано с тем, что односторонние радиосистемы дают меньшую гарантию доставки сообщения по сравнению с радиосистемами, имеющими обратный канал. Отсутствие возможности запроса со стороны пульта центрального наблюдения на объективное устройство не позволяет синхронизировать работу всех объектовых устройств (ОУ), проконтролировать находится ли ОУ в рабочем состоянии, запросить повторную доставку утерянного сообщения и т.д [1-15].

Под односторонней асинхронной системой передачи извещений (РСПИ) понимается такая система, в которой имеется множество источников извещений и один, или реже, несколько приемных устройств, а передача ведется в асинхронном режиме только в одну сторону «источник -> приемник». Очевидно, что в отсутствии обратного канала связи возможно построение сети только с топологией типа звезда и древовидная топология. При этом в древовидной топологии ретрансляторы по определению должны иметь возможность работы на прием, хотя ОУ могут и не иметь таковой. Далее, при рассмотрении односторонней радиосистемы будем полагать, что речь идет о топологии типа «звезда», которая является самостоятельной сетью, или является частью более широкой сети с древовидной топологией (рис. 1.1).

[ ОУ

Проводной интерфейс

Рис. 1.1 Топология сети односторонней радиосистемы передачи извещений

С точки зрения алгоритма функционирования можно выделить синхронные и асинхронные радиосистемы. Учитывая специфику работы односторонних радиосистем можно сделать вывод о том, что синхронная работа возможна только в случае наличия внешнего синхронизующего сигнала, не относящегося к данной системе. Таковыми синхронизирующими сигналами могут являться сигналы точного времени, в том числе от глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАС [16-18]. Однако наличие встроенного приемника сигналов точного времени сужает область применимости системы радиопередачи сообщений, а также приводит к удорожанию ОУ. Поэтому целесообразно уделить более глубокое внимание именно асинхронным односторонним радиосистемам.

Несмотря на более узкую применимость по сравнению с двунаправленными системами, односторонние асинхронные радиосистемы имеют и ряд преимуществ: во-первых, малая стоимость развертывания системы в целом за счет минимизации стоимости объектовых устройств. Побочным эффектом минимизация стоимости объектового устройства является ухудшение технических характеристик из-за применения недорогой элементной базы. Элементная база объектового устройства обеспечивает минимальные требования, необходимые для формирования сигнала. При этом в большей степени уделяется внимание стабильности частоты несущей, виду модуляции и внеполосным излучениям. При этом объектовое устройство может быть построено, используя только управляющий микроконтроллер и один интегральный передатчик [14].

Учитывая тот факт, что работоспособность всей системы в большей степени зависит от качества приема, то при разработке приемного устройства экономия на элементной базе за счет ухудшения технических характеристик значительно ограничивает область применения радиосистемы. Поэтому при разработке радиосистем по принципу минимизации стоимости объектовых устройств, которых в системе множество, при сохранении качественного приемного устройства, в единственном приемном устройстве достигается минимизация стоимости развертывания радиосистемы в целом.

Л <»

'Л.

Ч * 4

t • i'^f

. Щ

\t 1 л '

Во-вторых, уменьшение энергопотребления объектового устройства за счет исключения цикла приема. Объектовое устройство большую часть находится в спящем режиме с минимальным энергопотреблением. При возникновении необходимости передать сообщение по некоторому событию или через некоторый интервал времени устройство просыпается и производит передачу сообщения. За время, которое ОУ находится в активном режиме при передаче сообщения, потребленное количество энергии оказывается значительно меньшим, чем потребляют устройства, находящиеся в непрерывном приеме.

Необходимо отметить, что основной акцент в данной работе уделен низкоскоростным РСПИ, поэтому третьим преимуществом является возможность покрытия обширных территорий при ограниченной мощности излучения, не требующей лицензирования в органах Министерства связи [19], на недорогой элементной базе за счет применения узкополосной передачи данных. Вместе с тем существует ряд сложностей реализации РСПИ с дальностью связи до нескольких десятков километров с ограничением мощности в пределах 10 мВт, т.к. уровень полезного сигнала, на приемном конце составляет порядка минус 130 — 140 дБм. Прием сигнала с таким малым уровнем становится возможным за счет применения узкополосных сигналов и оборудования со сложными алгоритмами обработки сигналов и высокими техническими характеристиками, такими как стабильность частоты опорных генераторов, линейность приемного тракта и т. п.

Применение узкополосной передачи данных применяется в случаях ограниченного энергетического ресурса с целью повышения достоверности приема. По