автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Повышение помехоустойчивости приема частотно- модулированных сигналов в околопороговой области

рГ Б од

На правах рукописи УДК 621.376.3

Волхонская Елена Вячеславовна

Повышение помехоустойчивости приема частотно- модулированных сигналов в околопороговой области

Специальность 05.12.17 Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Калининград - 1998

Диссертация выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.

Научные руководители: -доктор технических наук, профессор Карлов Анатолий Михайлович -кандидат технических наук, доцент Кологривов Арсений Георгиевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Темербеков Сергей Рафкатович - кандидат технических наук, доцент Крюков Игорь Никитович

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота 'ТИПРОРЫБФЛОТ"

Защита состоится 24 апреля 1998 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета К 117.09.01 при Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота по присуждению ученой степени кандидата технических наук (236029 г.Калининград, ул.Молодежная,6)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.

Автореферат разослан ¿V МО.Ш>^ 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Ветров И.А.

Общяя характершггака работы

Актуальность темы. Одним из основных требований, предъявляемых к радиотехническим системам передачи информации, является обеспечение требуемого, уровня. помехоустойчивое™. В последние годы в связи с ограниченностью частотного ресурса, индустриализацией народного хозяйства, ростом числа радиотехнических систем, работающих на излучение и эксплуатирующихся на ограниченной территории, значительно ухудшается электромагнитная обстановка в точке приема. Это приводит к тому, что требования. "к помехоустойчивости радиотехнических систем передачи информации постоянно повышаются.

Сфера применения частотной модуляции (ЧМ) достаточно широка. Радиотехнические устройства с ЧМ используются в телевидении, например, следящий'фазовь1й демодулятор, применяемый для демодуляции телевизионных сигналов, схема обнаружения пороговых импульсов шума на телевизионном изображении и т.д.: УКВ вешании (системы стереофонического вещания с поднесущей частотой: система Кросби, система Холстеда, шведская ЧМ-ЧМ система стереофонического вещания); в космической связи (станция "Волна-С". предназначенная для телефонной и телеграфной связи в системе ИНМАРСАТ, имеет ЧМ на аналоговом канале, различные модификации станции "Стандарт" (А,В,С)); в служебной радиосвязи (радиопередатчик судовой радиостанции "Рейд").

Однако преимущества ЧМ во многих случаях не реализуются из-за явления порога, которое характеризуется быстрым увеличением шумов на выходе приемного тракта при уменьшении входного отношения сигнал/шум, что затрудняет использование ЧМ приемников при работе со слабыми сигналами в околопороговой и подпороговой областях.

Таким образом, задача повышения помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопороговой области является актуальной.

Об актуальности темы исследования свидетельствует большое количество работ, посвященных решению этой задачи. Проведенный аналитический обзор состояния исследуемой задачи показывает, что основные исследования проводились по трем направлениям:

!.Синтез оптимальных алгоритмов обработки ЧМ сигналов на фоне помех и их реализация в виде конкрттнъгх радиотехнических устройств.

2.Разработка устройств приема ЧМ сигналов на базе исследований, основанных на работе Агеева Д. В. "Активная полоса частотного спектра функции времени"("Труды ГГ1И им. Жданова".1955.T.X1.цып. 1,с. 1-8).

3.Разработка устройства приема ЧМ сигналов на базе теоретических исследований, основанных на импульсной модели Раиса.

Первое направление основано на использовании математического аппарата марковских процессов и теории оптимальной нелинейной фильтрации, которые позволяют получить результат при больших отношениях сигнал/шум , то есть при работе в надпороговой области.

Второе направление позволило получить ряд устройств приема ЧМ сигналов, обеспечивающих снижение порогового отношения сигнал/шум на входе приемника, однако, оно не раскрывает физической сущности явлений, происходящих при приеме ЧМ сигналов в околопороговой области.

Третье направление, с точки зрения анализа помехоустойчивости приема ЧМ сигналов и разработки устройств помехоустойчивого приема ЧМ сигналов, является наиболее плодотворным.

В связи с изложенным тема диссертационной работы "Повышение помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопороговой области " является актуальной с научной-точкн-зрения и имеет важное практическое значение.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование статистических" характеристик огибающей, фазы и производной фазы суммы сигнала и шума при .малых отношениях сигнал/ шум и разработка на основе этих исследований устройства, обеспечивающего выигрыш в помехоустойчивости приема ЧМ сигналов при отношении сигнал/шум. близком (и меньшем) пороговому значению.

Задачи исследования:

¡.Анализ методов оценки помехоустойчивости tipi ема ЧМ сигналов и выбор предпочтительного варианта в качестве базовой модели.

2.Апапиз допущений, ограничений и применимости базовой модели оценки помехоустойчивости приема ЧМ сигналов.

3.Теоретическое исследование статистических характеристик огибающей,

фазы и частоты суммы сигнал:» и шума, статнстическ&й взаимосвязи между названными случайными параметрами результирующего колебания и определение влияния этих параметров на характеристики шумов на выходе частотного детектора.

4.Разработк-а устройства, обеспечивающего выигрыш в помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопорогоеой области.

5.0ценка помехоустойчивости предлагаемого устройства приема ЧМ сигналов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1.Получено аналитическое выражение для расчета кривых помехоустойчивости приема ЧМ сигналов СЧД с учетом влияния ограничителя и уточнения формулы Раиса для среднего числа перескоков фазы результирующего колебания на ±2 п.

2.Проведен анализ прохождения сигнала и шума через амплитудный ограничитель, получены выражения для отношения сигнал/шум и функции корреляции случайного процесса на выходе ограничителя.

3.Определена вероятность перескоков фазы результирующего колебания на ±2п при условии, что имело место пересечение фазой результирующего колебания уровня к.

4.0пределены условные вероятности перескоков фазы на +2 л и -2л при условии, что данному перескоку предшествовал-перескок соответственно на +2л. -2 л.

5.Определены характеристики статистической взаимосвязи огибающей, фазы и производной фазы суммы гармонического сигнала и узкополосного шума:

-условная плотность вероятности, условное математическое ожидание н условная дисперсия огибающей при условии, что фаза результирующего колебания принимает фиксированное значение щ;

-условная плотность вероятности производной фазы результирующего колебания при условии, что фаза принимает фиксированное значение^. а огибающая не превышает уровня Уп;

-среднее число перескоков фазы на ±2 к при условии, что огибающая результирующего колебания не превышает уровень К0.

6. Предложен алгоритм обработки ЧМ сигнала и шума при детектировании, обеспечивающий увеличение помехоустойчивости приема ЧМ сигналов.

Практическая значимость работы состоит в том. что:

¡.Предложено устройство приема ЧМ сигналов с компенсацией пороговых импульсов шума, обеспечивающее выигрыш в помехоустойчивости приема ЧМ сигналов. На устройство с компенсацией пороговых импульсов шума подана заявка на изобретение и получено положительное решение предварительной экспертизы (Приоритет от 6 ноября 1996г.).

2.Получены аналитические выражения для расчета отношения сигнал/шум на выходе приемника ЧМ сигналов, позволяющие получить более точные результаты расчета помехоустойчивости приема ЧМ сигналов. Это имеет существенное значенне при оценке надежности радиосвязи в системах передачи информации с частотной модуляцией.

3.Разработаны алгоритм и программы компьютерного моделирования суммы сигнала и узкополосного шума и определения статистических характеристик огибающей, фазы и производной фазы результирующего колебания.

4.Проведенные теоретические исследования и полученные результаты по статистическим характеристикам огибающей, фазы и частоты суммы сигнала и узкополосного шума свидетельствуют о том. что при разработке помехоустойчивых демодуляторов ЧМ сигналов необходимо учитывать статистическую взаимосвязь названных параметров результирующего колебания.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

I .Устройство приема частотно-модулированных сигналов с компенсацией пороговых импульсов шума и методика оценки его помехоустойчивости.

2.Уточнение метода оценки помехоустойчивости приема ЧМ сигналов, исходя из импульсной модели Раиса.

3. Результаты теоретического исследования статистической взаимосвязи огибающей, фазы и ее производной суммы полезного сигнала и узкополосного шума, включающие:

-условную плотность вероятности огибающей суммы сигнала и

узкополосного шума при фиксированием значении фазы;

-условную плотность вероятности частоты суммы сигнала и узкополосного» шума при фиксированном значении фазы и значениях сгибающей, не превышающих уровня К0;

-услеэные вероятности перескоков фазы на ±2,т при условии, что им; предшествовали перескоки фазы на ±2тт. л^' Нл^"

-среднее число перескоков фазы на ±2я суммы сигнала и узкополосного шума при условии, что значение огибающей не превысит уровня Ко •

5.Результаты компьютерного моделирования результирующего колебания: суммы сигнала и узкополосного шума.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы: использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ "Разработка рекомендаций по повышению точности оценивания навигационных; параметров морских и воздушных судов при совместных работах",.

- "Исследование статистических характеристик суммы сигнала и шума в; авиационных радионавигационных системах", "Разработка технических; решений для реализации контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) для; контроля параметров аварийных радиобуев АРБ-АК-"Вешка", а также в; учебном процессе при изучении дисциплин "Радиотехнические цепи и сигналы'" м "Радиоприемные устройства".

Достоверность результатов работы подтверждается результатами1 компьютерного моделирования суммы сигнала и узкополосного шума., корректным использованием современного математического аппарата и апробацией результатов диссертационной работы.

Математический аппарат. Аналитические исследования проведены на базе теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов с использование»! компьютерного моделирования.

Апробанвз результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались н получили положительную оценку -на отраслевой научно-технической конференции аспирантов в 1997 году, на заседании кафедры радиотехники Калининградского военного политехнического института:

федеральной пограничной службы, на совместном заседании кафедр теоретических основ радиотехники и судовых радиотехнических систем Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано семь научных работ.

Объем н структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, списка использованных источников, состоящего из 77 наименований, и двух приложений. Общий объем работы составляет 204 е., включая 85 рисунков, шесть таблиц, 77 использованных источников и два приложения объемом 47 с.

Содержание работы

Во введении сформулированы цель и основные задачи исследования, проведен библиографический обзор состояния вопроса, обсуждается актуальность и практическая значимость проблемы, сформулированы основные вопросы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ методов оценки помехоустойчивости ЧМ сигналов, основанных на разных моделях: метод вероятностных весов, импульсная модель Раиса. Произведен выбор базового метода оценки помехоустойчивости приема ЧМ сигналов, за который принята импульсная модель, предложенная Райсом, проанализированы достоинства и недостатки данной модели. К основным недостаткам данной модели следует отнести:

1)импульсный компонент шума связывается со скачками фазы результирующего колебания суммы сигнала и шума на ±2я\ число которых определяется как число пересечений фазой результирующего колебания уровня

2)частотный детектор (ЧД) считается идеальным, т.е. имеющим линейную Д1 скриминационную характеристику в неограниченном диапазоне расстроек частоты сигнала, а напряжение на выходе ЧД пропорционально производной фазы и не зависит от огибающей результирующего колебания;

3)при расчете мощности импульсного компонента пороговые импульсы шума считаются пуассоновской последовательностью дельта-импульсов.

Для устранения выявленных недостатков модели Раиса про веде"! анализ прохождения суммы сигнала и шума через амплитудный ограничитель и получена зависимость отношения сигнал/шум на выходе ограничителя от отношения сигнал/шум на его входе. На рис. I приведена зависимость величины

Зависимость т/= /(р)

Рис.1

Из приселенного графика видно, что при больших отношениях сигнал/шум на входе ограничителя амплитуды практически не ухудшается отношение сигнал/шум на его выходе. Однако при /XI0 происходит существенное уменьшение отношения сигнал/шум на выходе ограничителя амплитуды.

Таким образом, влияние амплитудного ограничителя необходимо учитывать при расчете помехоустойчивости .СЧД п окаоохшроговой.обпастн.

Кроме того, показано, что при малых отношениях сигнал/шум о:ра1;.и".::тель приводит к расширению энергетического спектра шума, что также нужно учитывать при оценке помехоустойчивости приема ЧМ сигналов.

С целью уточнения формулы зля среднего числа перескоков фазы на ±2л"

—>

был проведен анализ возможного поведения вектора И (г) результирующего

колебания после однократною пересечения им отрицательной полуоси Л'. Определены четыре варианта дальнейших случайных "блужданий" результирующего вектора и соответствующие им скачки фазы на +2л и+л для случая пересечения синусоидальной составляющей нулевого уровня сверху вниз, а также четыре варианта дальнейшей траектории движения вектора результирующего колебания и соответствующие им скачки фазы на —2л и -л для случая пересечения синусоидальной составляющей нулевого уровня снизу вверх.

Проведенный анализ позволил сформулировать условия, соблюдение которых приводит к скачкам фазы результирующего колебания на ±2л. Это позволило получить выражение для вероятности огибания начала координат траекторией движения вектора результирующего колебания, с учетом которого выражение для среднего числа перескоков фазы на ±2л можно определить как:

1 -ехр

еМ~р) 1 ~ехр\4р)

(

/ 1 - ехр

л) \

2 ехр(-р) 1 -ехр(4р)

(1)

Анализ полученных выражений позволяет сделать вывод о том, что при оценке помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопороговой области р{Ю формула Раиса нуждается в уточнении. При отношении сигнал/шум на входе ЧД р) 10 среднее число перескоков фазы результирующего колебания.на 2л практически совпадает со средним числом выбросов фазы за уровень к, то есть формулой Раиса.

С учетом полученных во втором и третьем параграфах первой главы соотношений был произведен расчет помехоустойчивости приема ЧМ сигналов, по результатам которого построены пороговые кривые (рис.2,3) для двух индексов частотной модуляции чг= 1,-10.

На этих же рисунках изоб >ажены пороговые кривые, рассчитанные, исходя из импульсной модели Раиса. Анализ полученных пороговых зависимостей позволяет сделать вывод о том что учет влияния ограничителя амплитуды и угочнение формулы Райса для среднего числа перескоков фазы

результирующего колебания на ±2л позволяет более точно рассчитать

Кривые помехоустойчивости при приеме ЧМ сигналов в области порога

для т - 1

22.5 20

10

-Ю

-20 -23.3

]

- А /

-7 -5

Ю

14 р.дБ

1- рассчитанная, исходя из импульсной модели С.Рлйса;

2- рассчитанная, исходя из уточненной импульсной модели С.Райса.

Рис.2

Кривые помехоустойчивости при приеме ЧМ сигналов в области порога

для /я= 10

•48.9 40

зо 20 ю о

-3.7 -7

1

у

. , . ___ __

ю

14 р.дБ

!- рассчитанная, исходя из импульсной модели С.Райса; 2- рассчитанная, исходя из уточненной импульсной модели С.Райса.

Рис.3

помехоустойчисость приема ЧМ ан налов в околопороговой и подпороговой областях. Полученные результаты имеют большое значение, т.к.помехоустойчивость приема ЧМ сигналов в околопороговой области определяет надежность радиосвязи.

Во второй главе проводится анализ статистических характеристик огибающей, фазы и частоты суммы сигнала и узкополосного шума. Необходимость проведения такого анализа связана с тем. что характер шумов на выходе СЧД определяется статистическими характеристиками производной

фазы 1/40' которые в свою очередь зависят от статистических характеристик фазы ц/{{) погибающей К(г).

В результате проведенного анализа характеристик огибающей К(/) суммы гармонического сигнала и узкополосного шума были определены выражения для условной плотности вероятности огибающей Г(/). условного математического ожидания и условной дисперсии огибающей суммы гармонического сигнала и узкополосного шума. Условная плотность вероятности огибающей К(г) определяется выражением:

Графики зависимостей условных математического ожидания и дисперсии приведены на рис.4 и 5.

Анализ выражения (2) показывает, что при фиксированных значениях

случайной фазы у/0 условная плотность вероятности огибающей близка

к релеевской для любого отношения сигнал/ш\\м. При щ - 0;— условная

4

плотность вероятности близка к релеевской при слабых сигналах ( р(I ), а при р)10 она близка к нормальной.

IV

21'ехр[-1'2 ]ех^2 \ vcos у/]

(2)

¥ - Ухо ) 1 + -¿па с 05 у/ех^а1 + ег/{а соэ у/)\'

где ег/(х) -табулированная функция ошибки.

Зависимость случайной величины mv от фиксированного значения

•>=Го

спучайной фазы у/0

Рис.4

Зависимость случайной величины D у/- от фиксированного значения

■'v= п

случайной фазы у/0

Рис.5

Условное математическое ожидание огибающей результирующего колебания при значении случайной фазы (//„ = я характеризует среднюю величину провала огибающей результирующего колебания при перескоке фазы. Как видно из рис.4, с ростом отношения сигнал/шум величина провала огибающей увеличивается, тогда можно говорить о том. что сростом отношения сигнал/шум траектория движения вектора результирующего колебания приближается к началу координат.

отклонений огибающей результирующего колебания при перескоке фазы от условного среднего значения. С ростом отношения сигнал/шум величина отклонений огибающей от условного среднего значения, уменьшается при

соизмеримой со средней величиной провала огибающей, что может привести к тому, что траектория движения вектора результирующего колебания не будет охватывать начало координат, и, следовательно, для больших отношений сигнал/шум скачков фазы на ±2?г и импульсов шума наблюдаться не будет.

Получено выражение для вероятности того, что огибающая суммы гармонического сигнала и узкополосного шума при фиксированном значении случайной фазы не превысит некоторого заданного уровня. При анализе полученного выражения наибольший интерес представляет случай для у/0 = я, иллюстрируемый рис.6.

Условная вероятность непревышения огибающей наперед заданного уровня достаточно быстро возрастает для любого отношения сигнал/шум с ростом значения 1/0 от 0 до 1.

Далее, во второй главе, проведены исследования характеристик мгновенной частоты гармонического сигнала и узкополосного шума: получено выражение условной плотности вероятности мгновенной частоты при фиксированном значении случайной фазы щ и условии непревышения огибающей некоторого уровня и0, которое имеет следующий вид:

при 1//0 = л характеризует среднюю величину

у/о = тс. При больших сигналах и

становится

Условная вероятность Р\ 1 ^ ^ ) ПРН фиксированном значении

случайной фазы ц/- к

0.8

0.6

0.4!

0.2

к Ж I

и \а = 3 2

ш \ а = 5

1

!

10^

Рис.6

т к

Кл ° ^[-(1 + й2) к0 +2 асо51ру0]-

у<у0.у/=р0) 2(1+

асо51/г , 2 -> , асоБу

2(1 + /22)2

2(1 + /г2)-

Гк-

4(1 + /22)3/:

л/ЛИ2 С01- {¡Г

2(1+ А2)"

ел*/)

а2 сол'2 V/ /

1 + /г2

V.

а2 сол2 у/ / V

1 + А2

и0 (1 + Л2) - асо^

•ч/1 + А2

+ ег/

д саг у/

ТГтЮ

]}/

/{1 - г„ + 2осо.^ 1 + асоу у^лех^а2 •

•[ег/( V,, - дсо5 у/) + сг/(ас<м (</)]}

■(3)

Анализ полученного выражения позволяет сделать вывод об увеличении дисперсии мгновенной частоты для произвольного отношения сигнал/шум и выбранного уровня при изменении значения случайной фазы у/0 от 0 до л\ т.е. можно говорить о возрастании выбросов мгновенной частоты при оглбании

вектором результирующего колебания начала координат. В случае, когда ве.тор результирующего колебания совершает свои "блуждания" в I или IV четвертях системы- коордгшитч- £ ростом-- ©тноишшя сигнал/шум условная дисперсия мгновенной частоты уменьшается, т.е. можно говорить об отсутствии выбросов частотС!. Однако, при совершении бросков вектора результирующего колебания в направлении начала координат с ростом отношения сигнал/шум происходит увеличение условной дисперсии мгновенной частоты, что свидетельствует о наличии выбросов мгновенной частоты.

В ходе исследований характеристик мгновенной частоты методом

численного интегрирования была определена условная вероятность того, что •

....... - -..... „ ,

мгновенная частота -.——- превысит некоторый уровень при условии

v< va:y/= 11 различных отношениях сигнал/шум а.

Анализ рассчитанных значений условной вероятности

Pl'^y, 1 позволяет сделать следующие выводы:

Ч /КЧ>. VoJ

-с увеличением отношения сигнал/шум при условии "блужданий" конца

вектора результирующего колебания в ! или IV четвертях выбросы мгновенной

частоты, превышающие полосу пропускания УПЧ, становятся маловероятными:

-пересечение фазой результирующего колебания уровня ±тг

сопровождается выбросами частоты, превышающими полосу пропускания УПЧ

приемника ЧМ сигналов;

-появление выбросов частоты, значительно превышающих полосу

пропускания УПЧ приемника ЧМ сигналов . менее вероятно по сравнению с

появлением выбросов частоты, соизмеримых с полосой пропускания УПЧ

приемника ЧМ сигналов;

-выбросы частоты сопровождаются провалами огибающей ниже уровня

v0 = 1, и чем больше значение выброса частоты тем большим провалом

огибающей зтот выброс сопровождается.

Исходя из выводов, полученных в третьем параграфе второй глчвы,

касаемых взаимосвязи между выбросами частоты и провалами огибающей гнже

некоторого уровни, представляется интересным определение среднего числа

пересечений фтшп результирующего колебании уровня л\ связываемого Гансом со скачками фазы на ±2тс, офапичив возможные значения огибающей результирующего колебания некоторым уровнем ц,. Тогда следует говорить о некотором среднем условном числе перескоков фазы на ±1л суммы гармонического сигнала и узкополосного шума при Аа> =0 и условии, что возможные зн .чения огибающей не превысят в данный момент времени наперед заданного уровня В четвергом параграфе второй главы получено выражение для среднего числа перескоков фазы результирующего колебания на ±2/т в следующем виде:

/V, (±2л) = к0 + а) - erf {а)}, (4)

!'о А,„

гдс Уа=7Га;а=7Г,

График полученной зависимости приведен на рис.7.

Зависимость величины iV,(± 2я)—т== — от отношения сигнал/шум а

V-Po

Рис.7

Как видно из рис.7, среднее число перескоков фазы на ±2;г суммы гармонического сигнала и узкополосного шума уменьшается с ростом отношения сигнал/шум при любом уровне г0. С увеличением уровня уп для одного-ттого же отношения"ситал/шум феднее число перескоков фазы на ±2.т результирующего колебания возрастает. Лрн »'0 = $ практически все перескоки фазы на ±2ж сопровождаются провалами огибаюшей ниже уровня 1.

При оценке помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в соответствии с импульсном моделью Раиса мощность импульсного компонента шума рассчитывается в предположении, что перескоки фазы результирующего колебания, -а значит, -и-импульсы шума на выходе частотного детектора, представляют собой луассоновский поток, кроме того, предполагается, что Б^зя'тоепт-перескогоз" фаза"йа"+2л и -2 тс одинаковы и не зависят от того, какой перескок фазы предшествовал данному. Для проверки данных предположений были вычислены вероятности переходов

(5)

В- качестое* возможпшг-моментов перехода фазы результирующего колебания были взяты интервалы времени хс. когда Ес(—Лт. Если в течение времени гс происходит пересечение процессом £,(/) кулевого уровня с отрицательной производной, то имеет место переход фазы на +2л. Для перехода фазы на -2яг за время тс должно произойти пересечение процессом £,(*) нулевого уровня с положительной производной. В тех случаях, когда на интервале тс не происходит изменение знака процесса Я, (г), переход фазы результирующего колебания считается "нулевым". Условная вероятность 0 характеризует вероятность перехода фазы результирующего

колебания на +2л при условии, что этому предшествовал переход фазы па +2ж. /¡гакол."Ш1.1Й смысл имеют и друга»: вероятности переходов из выражения (5).

Для суммы гармонического сигнала и узкопачосиого шума при совпадении

частоты сигнала и центральной частоты спектра узкополосного шума в результате анализа были получены следующие выражения для вышеназванных вероятностей переходов

•[1 - 1 / (1 + 2 те/ г,)(1 + 2 вс/ (л + I) г,)»+« ]; (6)

•[1 + 1/(1+2 гс/ гЛ.) - (1 + 2 <?с/(/г +1) )"+1 ], (7)'

где математическое ожидание величин гс; гЛ; можно определить

2"

г, = -Д£г[1-Ф(о, )]<«/>

0,=

2ж

а.

— Л"

-Т5 = -т=

(8)

где /70 -вторая производная коэффициента корреляции квадратурных

составляющих при г= 0; ф(д,) - интеграл вероятности; Я| = —^,« = 0,1,2....

<т

Р+<1

(9) (10)

На рис.8 показан график зависимости переходов р и ^ от отношения сигнал/шум а для /г = 0/1.

Исходя из анализа данных зависимостей, вероятность переходов, различных по знаку, больше, чем вероятность переходов, одинаковых по знаку. При отношении сигнал/шум а)3 отличие становится незначительным, и матрица (5) вероятностей переходов преобразуется в вектор-строку

( \ ( \ / \

тс/2 1- тс/ тс+ т5 \;тс/2 тс+ т5 У /

В этом случае вероятности переходов не зависят ни от предшествующего перехода, ни от предыдущего состояния, и поток переходов фазы на ±2,т является пуассоновским.

В рамках исследования статистических характеристик суммы гармонического сигнала и узкополосного шума был поставлен численный' эксперимент, заключавшийся в моделировании результирующего колебания суммы гармонического сигнала и узкополосного шума и исследовании его статистических характеристик на персональном компьютере (ПК). По разработанным алгоритмам проведены численные расчеты вероятностных и статистических характеристик квадратурных составляющих, огибающей, фазы и мгновенной частоты аддитивной смеси полезного сигнала и узкополосного шума. Проведены расчеты и построены графики корреляционных функций, энергетических спектров, гистограммы распределения вероятностен квадратурных составляющих, огибающей, фазы и мгновенной частоты аддитивной смеси полезного сигнала и узкополосного шума для различных реализаций длительностью 2!; дискретных отсчетов.

Анализ полученных результатов моделирования позволяет сделать

следующие выводы:

-сопоставление реализаций !/(/),»//(/),свидетельствует о статистической взаимосвязи этих процессов;

-с уменьшением отношения сигнал/шум для слабых сигналов плотность вероятности фазы в интервале [~,г; л] приближается к равновероятному распределению, а число переходов полной фазы на ±2лк возрастает;

-с уменьшением отношения сигнал/шум происходит рост выбросов мгновенной частоты;

-провалы огибающей сопровождают все перескоки фазы на ±2 л\ -при перескоке фазы на ±л провалы огибающей как могут иметь место, так могут и отсутствовать;

-выбросы частоты большой амплитуды характерны и для перескоков фазы на ±2л\ и для скачков фазы на ± к.

-флюктуации мгновенной частоты, в основном, укладываются в полосу пропускания УПЧ, а в случае наличия скачков фазы на ±л и ±2ж значительно ее превышают.

Таким образом, приведенные алгоритмы моделирования аддитивной смеси гармонического сигнала и .узкоаолосного. щука-.позволяют- проводить- анализ статистических характеристик результирующего колебания и подтверждают результаты и выводы, полученные теоретическим путем.

Третья глава посвящена вопросам повышения помехоустойчивости приема ЧМ сигналов. В данной главе предлагается к рассмотрению устройство приема ЧМ сигналов, дающее выигрыш в помехоустойчивости перед СЧД, структурная схема которого приведена на рис.9.

Принцип действия данного устройства базируется на статистической взаимосвязи между перескоками фазы на ±2л, выбросами мгновенной частоты и сопровождающими их провалами огибающей результирующего колебания, подробно исследованными во второй главе. Работа данного устройства заключается в том, что выход приемника отключается от ЧД на время действия порогового импульса шума. Обнаружение порогового импульса шума осуществляется по провалам огибающей колебания на выходе УПЧ. Для уменьшения искажений сигнала коммутирующее устройство обладает

Структурная схема ЧМ приемника с исключением пороговых импульсов шума

Рис.9

памятью, т.е. сохраняет информацию о состоянии сигнала в момент времени, предшествовавший размыканию, на время действия порогового импульса шума до прихода разрешающего сигнала с блока сравнения. Использование коммутирующего устройства может привести к возникновению искажений полезного сигнала вследствие вырезания из реализаций небольших фрагментов. Для- оцстгн тгатерт! информации были вычислены время корреляции информационного сообщения г^ и время корреляции шума на зыходе

ЧД, и проведен их сравнительный анализ. Результаты сравнения показывают, что потери информации будут малы, если пороговое значение напряжения для блока сравнения лежит в интервале 01.5-5-0.75 при осуществлении приема широкополосных сигналов ЧМ (ш)2) и в интервате 0.1 -=-0.3 при использовании данного устройства в приемниках служебной радиосвязи (те(2).

Применение для приема ЧМ сигналов устройства (рис.9) позволяет исключить часть пороговых импульсов шума из общего ш- числа в спектре шума на выходе СЧД. Невозможность исключения всех пороговых импульсов шума связана с выбором порогового напряжения, подаваемого на блок сравнения, который осуществляется, исходя из требоааний минимизации искажений информационного сообщения.

Расчет помехоустойчивости устройства приема ЧМ сигналов (ркс.9) производился, исходя из уточненной п первой главе модели Раиса, в результате чего было получено выражение для отношения сигнал/шум на выходе устройства н оценен выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе предлагаемого устройства в сравнении с отношением сигнал/шум на зыходе СЧД, иллюстрируемый рис.10.

Зависимость г/= /(р) при =0.75

т-10

N V у\

\ \\

¥ \

Л

0

10

15 А,,дБ Рис.10

Анализ полученных кривых позволяет сделать вывод о том, что выигрыш в отношении сигнал/шум в подпороговой области возрастает с ростом индекса частотной модуляции при выбранном значении г0 =0.75. Максимальный выигрыш имеет место в подпороговой области, и его величина достигает Б-ИОд/» при ///= 1-И0 и входных значениях отношения сигнал/шум Рю={-2*2)дБ.

В заключении указаны основные результаты и выводы по диссертационной работе, которые можно свести к следующему:

-разработано устройство для обнаружения пороговых импульсов шума и их исключения из смеси сигнала и шума на выходе ЧД, обеспечивающее выигрыш в помехоустойчивости приема ЧМ сигналов в околопороговой области;

-произведена оценка помехоустойчивости предлагаемого устройства приема 4M сигналов и даны рекомендации но выбору основных параметров данного устройства, обеспечивающих его эффективную работу;

-проведено теоретическое исследование статистических характеристик огибающей, фазы и производной фазы суммы сигнала и шума, выявлена статистическая взаимосвязь между вышеназванными случайными параметрами результирующего колебания и определено влияние этих параметров на характеристики шумов на выходе частотного детектора:

-проведен численный эксперимент, заключавшийся в моделировании и исследовании характеристик огибающей, фазы и производной фазы в их взаимосвязи друг с другом на персональном компьютере, результаты которого полностью подтверждают результаты и выводы теоретического исследования, используемые при разработке предлагаемого устройства приема 4M сигналов;

-произведен анализ существующих методов оценки помехоустойчивости приема 4M сигналов, выбор базовой модели и анализ допущений, ограничений и применимости данной модели оценки помехоустойчивости приема 4M сигналов;

-произведено уточнение импульсной модели Раиса, заключавшееся в устранении выявленных недостатков, и произведен расчет помехоустойчивости приема 4M сигналов С4Д, исходя из уточненной модели Раиса, в результате которого был сделан вывод о необходимости внесенных дополнений и уточнений в базовую модель нри оценке помехоустойчивости приема 4M сигналов в околопороговой и подпороговой областях, имеющих важное значение при определении надежности радиосвязи.

Публикации по теме диссертации

1. Волхонская Е.В., Данилова H.A. Уточнение формулы Раиса для среднего числа перескоков фазы суммы сигнала и узкополосного шума на ±2лИ Повышение эффективности функционирования судовых радиоэлектронных средств: Сборник научных трудов.-Калининград:Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, 1994.-Вып.4.-С. 113-116.

2. Волхонская Е.В. Моделирование узкополосного случайного процесса на

ПЭВМ// Лоиышсние эффективности функционирования судовы: радиоэлектронных средств: Сборник научных трудоз.-Каяшишград:Балтийска) государственная академия рыбопромыслового флота, 1995.-Вып. I О.-С. 16-25.

3.Волхонская Е.В. Прием частотно-модулированных сигналов с компенсацией пороговых импульсов шума// Повышение эффективности функционирования судовых радиоэлектронных средств: Сборник научных трудов.-Калшшнград: Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, 1996,-Вып.! 5.-С.22-24.

4. Волхонская Е.В. Повышение помехоустойчивости приема ЧМ- сигналов// Проблемы рыбопромысловой отрасли в научных исследованиях: Сборник тезисов докладов отраслевой научно-технической конференции аспирантов и-соискателей.-Кадннинград: Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, 1997.-С.6-8.

5.Карлоа A.M., Волхонская Е.В. Ограничение суммы сигнала и; узкополосного шума// Повышение эффективности функционирования судовых, радиоэлектронных средств: Сборник научных трудов.-Калишшград: Балтийская.

_ государственная академия рыбопромыслового флота, 1995.-Вып.10.-С.39-43.

6.Карлов A.M.. Волхонская Е.В. Повышение помехоустойчивости приема. ЧМ сигналов за счет последгтекторной^бработккА' Швънуение-эффектевносг.! функционирования судовых радиоэлектронных средств: Сборник научных трудов.-Калншшград: Балтийская государственная академия рыбопромыслового "флота, 1996.-Вып. 15.-С.45-53.

7.3аявка 96121768/09(028287),МПК Н04В 1/10, Приемник частотно-модулированных сигналов с компенсацией пороговых импульсов шума/ A.M. Карлов, Е.В.Волхонская.-Приоритет 06.11.1996.

Лицензия № 020859 от 15.02.94 г.

Подписано в печать 11.03.98 г. Формат 60 х 84/16 Печать офсетная. Объем 1,0 пл. Тира*, 90 экз. Заказ 478

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота

Участок оперативной полиграфии БГА РФ 236029, Калининград (обл.), ул. Молодежная, 6