автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Процедуры формирования адаптивных к мешающим факторам радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для систем передачи информации

005018346

Покровский Павел Сергеевич

На правах рукописи

ПРОЦЕДУРЫ ФОРМИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ К МЕШАЮЩИМ ФАКТОРАМ РАДИОСИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ ДЛЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9дпрта

Рязань 2012

005018346

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Научный руководитель - заслуженный работник ВШ РФ,

доктор технических наук, профессор Кириллов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты - Кошелев Виталий Иванович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехнических систем ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Гусев Сергей Игоревич, кандидат технических наук, главный специалист,

филиал ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» -ОКБ «Спектр»

Ведущая организация - ОАО «Российские космические системы»

(г. Москва)

Защита состоится «18» мая 2012 г. в 12 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.211.04 в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, д. 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Автореферат разослан «16 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук Н77/ ^°РИС0П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуальность работы. В связи с широким распространением беспроводных систем передачи информации (СПИ) для обеспечения электромагнитной совместимости приходится разрабатывать новые спектрально эффективные виды радиосигналов. Большой вклад в развитие данного вопроса внесли отечественные и зарубежные ученые Я.Д. Ширман, Л.Е. Варакин, Д.Е. Вакман, P.M. Седлецкий, J1.C. Гуткин, С.Б. Макаров, К. Шеннон, Г. Ван Трис, Ч. Кук, М. Бернфельд, JI. Френке и др.

В радиопередающих устройствах сужение полосы частот приводит к возникновению флуктуаций огибающей радиосигнала, что снижает энергетическую эффективность радиоканала. Для обеспечения компромисса между требованиями повышения спектральных и энергетических характеристик разработаны GMSK- и FQPSK- сигналы, использующие связь между синфазной и квадратурной составляющими комплексной огибающей.

Данные виды модуляции являются узко специализируемыми, то есть предназначены для применения в определенных условиях, что требует разработки уникальных приемопередающих модулей. Подобный подход ограничивает свойства адаптации радиотракта СПИ к особенностям характеристик радиоканала. Поэтому при проектировании гибких программно-управляемых СПИ приходится расширять номенклатуру функциональных узлов, закладывая несколько модуляторов и демодуляторов, включаемых в зависимости от текущих условий. Таким образом, для снижения стоимости и массогабаритных показателей современных СПИ актуальна разработка единого универсального программно-управляемого формирователя радиосигналов, способного, в частности, генерировать FQPSK- и GMSK- сигналы.

Отмеченная выше узкая специализация современных спектрально эффективных видов модуляции не позволяет создать универсальный радиосигнал для всех областей применения, так как каждому приложению соответствуют свои зачастую противоречивые требования к ширине полосы частот и уровню флуктуаций огибающей. Поэтому в целях создания универсальной системы актуальна задача разработки процедуры двухкритериального синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающей заданные спектральные и энергетические характеристики. Данный подход позволит получать новые виды радиосигналов, комбинируя различные свойства известных типов модуляции.

В настоящее время при функционировании СПИ в сложной сигнально-помеховой обстановке (ПО) используют шумоподобные сигналы, обеспечивающие высокую по сравнению с простыми радиосигналами помехоустойчивость и скрытность радиолинии. Для данных сигналов на кафедре радиоуправления и связи РГРТУ получены алгоритмы синтеза расширяющих кодовых последовательностей (КП), позволяющие повысить устойчивость сигналов с двоичной фазовой манипуляцией и модуляцией минимальным частотным сдвигом к действию узкополосных и структурных помех. Полученные процедуры и алгоритмы не могут быть непосредственно использованы при формировании КП для FQPSK- и GMSK-сигналов. В связи с этим актуальна задача разработки процедур адаптации к действующим помехам расширяющей КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими и, в частности, для GMSK- и FQPSK-сигналов.

Цель работы. С учетом вышеизложенного целью данной работы является разработка двухкритериальных процедур формирования спектрально и энергетически эффективных видов радиосигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими для адаптации к мешающим факторам СПИ.

Поставленная цель работы требует решения следующих задач:

1 Разработать процедуру формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе последовательностей «зависимых» импульсов для семейств СРМ- и Р(ЗР5К-сигналов.

2 Получить и проанализировать аналитические зависимости для расчета спектра, а также спектральных и энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

3 Обосновать комбинированный критерий качества, учитывающий требования к характеристикам спектральной и энергетической эффективности радиолинии, а также разработать процедуру синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

4 Провести анализ помехоустойчивости с учетом заданных требований к занимаемой полосе частот и уровню флуктуаций огибающей, а также разработать структуру оптимального приемника на основе представления радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими посредством конечного автомата.

5 Разработать эффективную процедуру расчета спектра радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе структурных особенностей данного класса модуляции при четырехфазной передаче бинарного информационного потока в режиме прямого расширения спектра.

6 Обосновать комбинированный критерий приближения, регуляризирующий задачу приближения к «эталонному» спектру за счет дополнительных ограничений, накладываемых на автокорреляционную функцию (АКФ) сигнала, и выбрать процедуру оптимизации расширяющей КП для синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающих за счет структурных особенностей дополнительное подавление действующих гармонических и узкополосных помех.

7 Обосновать возможность реализации универсального формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе современной элементной базы, включающей цифровой сигнальный процессор (ЦСП) и микросхему цифрового синтеза сигналов (МЦСС).

8 Проанализировать устойчивость к разрядности представления операндов разрабатываемых процедур адаптивного к действующим помехам синтеза радиосигналов при аппаратно-программной реализации на основе ЦСП и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Методы проведения исследований. В ходе работы использовались методы функционального и спектрального анализа, статистической радиотехники, а также вариационного исчисления. Перечисленные теоретические методы сочетались с имитационным моделированием и натурными испытаниями на основе действующего макета универсального формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы получены новые научные результаты:

1 Предложено общее представление ОМ5К- (при ВТЬ е [0,26; 0,6]) и РС^РБК-сигналов на основе радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающее ошибку приближения по углу не более 5° , а по амплитуде не более 0,5 дБ. При этом обеспечивается уменьшение первых боковых лепестков спектральной плотности мощности (СПМ) на 3 дБ и более в случае ОМ8К-

сигналов и увеличение скорости спада внеполосного излучения на 20 дБ/дек в случае РОРБК-сигналов.

2 Получены в аналитическом виде выражения для частотного спектра, спектральных и энергетических характеристик, а также помехоустойчивости радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

3 Разработана процедура синтеза по комбинированному критерию качества радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, позволяющая варьировать полосу частот радиосигнала в пределах 28 %, а уровень флуктуации огибающей - до 1,9 дБ.

4 Разработана эффективная процедура расчета СПМ радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при реализации четырехфазной передачи двоичного информационного потока в режиме СМЙК- и РС>Р8К-сигналов, обеспечивающая сокращение вычислительных затрат в 2 раза по сравнению с математическим моделированием.

5 Разработана процедура двухкритериального, адаптивного к текущей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающая дополнительное по сравнению с применением псевдослучайных последовательностей (ПСП) той же длины подавление помех с ограниченным спектром (ПОС) на 9 дБ, узкополосных - на 11 дБ и гармонических - на 25 дБ и более.

Достоверность. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов обеспечивается качественным и количественным сопоставлением результатов имитационного моделирования с известными положениями теории обработки сигналов. Кроме того, адекватность приведенных аналитических выражений для расчета спектральных и энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, а также реализуемость разработанного универсального формирователя ОМБК- и РОРБК- сигналов подтверждаются результатами проведенного в третьей главе эксперимента на макете.

Практическая ценность. Разработанный программно-управляемый универсальный формирователь ОМ8К- и БС^РвК-сигналов может быть использован в современных и перспективных СПИ, так как является совместимым с рядом стандартов мобильной, спутниковой и космической связи. Предложенные процедуры двухкритериального, адаптивного к действующей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при внедрении в перспективные СПИ позволят повысить электромагнитную совместимость и помехозащищенность радиолиний в условиях динамично изменяющихся мешающих факторов.

Результаты диссертационной работы нашли применение в действующей аппаратуре ОАО «Российские космические системы», что подтверждено соответствующим актом о внедрении, а также внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Двухкритериальная процедура синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для получения требуемых спектральных и энергетических характеристик СПИ, позволяющая варьировать полосу частот радиосигнала в пределах 28 %, а уровень флуктуаций огибающей - до 1,9 дБ.

2 Двухкритериальная процедура адаптивного к текущей ПО синтеза КП для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающая дополнительное по сравнению с применением ПСП той же длины подавление ПОС на 9 дБ, узкополосных - на 11 дБ и гармонических - на 25 дБ и более.

3 Универсальный формирователь радиосигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими, в частности для ОМБК- и РСЭРЭК-сигналов, обеспечивающий в случае вМЭК уменьшение на 3 дБ уровня первых боковых лепестков СПМ и увеличение скорости спада внеполосного излучения на 20 дБ/дек для РдРБК.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1 15-я и 16-я международные научно-технические конференции «Проблемы передачи информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, 2008, 2010 гг.

2 34-я всероссийская научно-техническая конференция «Информационные и телекоммуникационные технологии. Подготовка специалистов для инфокоммуникаци-онной среды». Рязань, 2009 г.

3 14-я, 15-я и 16-я всероссийские научно-технические конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании». Рязань, 2009, 2010, 2011 гг.

4 Международная конференция с элементами научной школы для молодёжи «Биотехнические, медицинские, экологические системы и комплексы». Рязань, 2009 г.

5 12-я и 13-я международные конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Москва, 2010,2011 гт.

6 9-я международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации (ПТСПИ-2011)». Владимир, 2011 г.

7 4-я всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Москва, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ. Среди них 2-е статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для кандидатских диссертаций,

1-а статья в межвузовском сборнике, 12 тезисов докладов на конференциях, а также

2-а научно-технических отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 103-х наименований и 3-х приложений. Диссертация содержит 199 страниц, в том числе 126 страниц основного текста, и 58 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы; определены цели и задачи, рассматриваемые в диссертационной работе. Перечислены новые научные результаты, полученные в данной работе; представлены её практическая ценность и апробация; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе предложено представление современных спектрально эффективных Р(2Р8К- и СРМ- сигналов, в частности СМЗК-сигналов, на основе управляемой связи между синфазной и квадратурной составляющими комплексной огибающей, позволяющее в аналитическом виде получить выражения для расчета СПМ, характеристик спектральной и энергетической эффективности, а также помехоустойчивости. С использованием двухкритериального подхода разработана процедура синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими по заданным показателям качества.

С целью обобщения классов СРМ- и РОРЙК-сигналов предложены радиосигналы с управляемой связью между синфазной и квадрату рной составляющими, которые описываются выражениями

/Я2(0 = /,(0-яЛ(0-я2/3«Х Qнг(') = Ql(')-a1Q2(0-a2QЛ0; (1)

где /,(0 = QAt) = YJdQlpl(t-iTs-Tsl2) - составляющие ООРБК-

¡=0 1=0

сигнала, образованного на основе импульса рх(Л = 5т2(0,5л* / геа((15г / ;

/2(0Ч1ХЛ('-<Т*)> д2и) = {^р2и-,Т5-Т5/2) - составляющие ОСТРЯК-

1=0 /-о

сигнала с элементарным импульсом р2(г) = 5т2(я-//7^) гес1(0,5г/Гх); /3(/) = 51вп(/51(0)- I е2(01, 0з(О = ^п(251(/))|/2(О1 - составляющие межканальной связи; а,, аг - коэффициенты управляемой связи между квадратурными составляющими, Тх - период следования информационных символов. На рисунке 1 представлено устройство универсального формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими (УФРУМС), реализующего выражения (1).

Рисунок 1

Здесь ППП - последовательно-параллельный преобразователь, АИМ - амплитудно-импульсный модулятор, ЭЗ - элемент задержки, треугольным блоком показан усилительный элемент, ® - блок арифметического сложения, ® - блок арифметического умножения, | • | - операция взятия модуля аргумента, А„А2>0 - управляющие параметры, связанные с коэффициентами а,,а2 через формулы: а1=1-А1, а2 = 1-А1.

В ходе исследований были получены зависимости коэффициентов разработанной схемы при реализации РС>Р8К- и ОМ5К-сигналов от управляющих параметров оригинальных формирователей данных видов модуляции АРг и ВТЬ соответственно:

А(А„2) = 0,011 +0,989 Аг1, =-0,068 + 1,068^2; (2)

АХ(ВТЬ) = С05({я(егГ(ак1ВТь) + (ехр(-(амВГй)2) -1) / (4^амВТь))), (3)

А2(ВТь) = %Щ\п{^(амВТ„) + (ехрН^ВГ,)2) -1) / {4^амВТь))),

где ам = 5.336 .

Предложенные зависимости позволяют формировать с ошибкой менее допустимой для космических систем передачи информации радиосигналы с РС^РБК и вМБК при ВТЬ е [0,26; 0,6]. Таким образом, возможно внедрение разработанного УФРУМС

в существующие СПИ без модернизации других узлов.

С целью теоретического исследования свойств и синтеза устройств детектирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими получено аналитическое выражение для расчета СПМ:

/у

8т(й>-&>0)75

(о-щ)

1

(1 - 4) +1(1 - 4) / С05(1ГД / п{а - со,)) 2(1-((Й)-о}0ЦТ5/ж)2)

,(4)

где а>0 - несущая радиальная частота

Анализ выражения показывает, что радиосигналы с управляемой связью между квадратурными составляющими вне зависимости от реализуемого вида модуляции характеризуются скоростью спада внеполосного излучения 60 дБ/дек. Таким образом, использование УФРУМС при генерации БС^К-сигналов позволяет обеспечить выигрыш по сравнению с оригинальной схемой РС}Р8К-модулятора в скорости спада внеполосного излучения на 20 дБ/дек. Проведенные исследования показали, что при формировании ОМЗК-сишалов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими удается добиться сокращения уровня первых боковых лепестков СПМ более чем на 3 дБ.

С целью проведения двухкритериального синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими обоснована целевая функция вида:

^(А,Л) = иМЛ)Т5)2 + {1-Л2ША1Л). (5)

где Яг € [0;1] - весовой коэффициент, РЭТ5 - нормированная эффективная полоса частот сигнала, ^(А^А^) - функционал, численно равный дисперсии мгновенной мощности сигнала и косвенно влияющий на уровень флуктуаций огибающей.

Путем оптимизации целевой функции (5) получены частные решения задачи синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими,

обеспечивающие в данном классе минимум эффективной полосы частот (Л, =1,461,

А2= 1,123) и минимум флуктуаций огибающей (А, = 0,594 , Л2 = 0,811). Показано, что применение сигналов с минимальной эффективной полосой частот позволяет на 5 % сократить полосу частот по сравнению с Т-0<ЗР8К-сигналами и обеспечить наилучшее в классе радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими сочетание спектральной эффективности и помехоустойчивости радиолинии.

На основе общего решения задачи минимизации функции (5) получены спектральные и энергетические характеристики, соответствующие множеству синтезированных сигналов и представленные на рисунке 2 в виде зависимости нормированной полосы частот , в которой сосредоточено 99 % мощности радиосигнала, от

уровня пик-фактора П. На рисунке 3 приведены зависимости параметров радиосигна-

лов с управляемой связью между квадратурными составляющими от уровня флуктуации огибающей.

Л^Гм-:-:-;-:-—

1,7 V.....;......^.......; .....г......Г "

1,6 \ ......^-------1 ;......

1,5 —-Ну-—;...........------

1,4 .......|.....------

1,31 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25

Рисунок 2

Таким образом, процедура двухкритериального синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для получения требуемых спектральных и энергетических характеристик СПИ включает следующие этапы:

1) по характеристике, представленной на рисунке 2, определяются значения нормированной полосы частот и уровня пик-фактора П, которые удовлетворяют предъявляемым требованиям к радиосигналам;

2) на основе зависимостей Л,(П) и /^(П) (см. рисунок 3) определяются искомые значения управляющих параметров УФРУМС.

С целью сравнения радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими по помехоустойчивости с известными классами радиосигналов получена аналитическая формула для расчета потенциальной вероятности битовой ошибки для каналов с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ):

Ре = 1(ег*сЦар1-Еь!На) + егЩар1 ■ Е„ IN,)) , (6)

где Еь - энергия сигнала, приходящаяся на один бит, 7У0 - СПМ АБГШ, ар, и арг -коэффициенты, определяемые выражениями:

_!а12 + да2-1)а,+1,5+!а22-(1+£)а2 ^ 3-2Д, +аг2)

" + |(а12 + а22) + 1,5-а,- 0,924а2 ' ./2 {а,а2 +1(а2 + а2) + 1,5-я,-0,924а2 '

Проведенные исследования показали, что в частных случаях полученная формула с ошибкой менее 0,05 дБ повторяет вероятностные характеристики для Т-СХ^РБК-, Р<ЗР8К- и ОМБК-сигналов, приведенные в известной литературе. Анализ помехоустойчивости синтезированных радиосигналов показал, что применение в СПИ управляемой связи между квадратурными составляющими обеспечивает помехоустойчивость на уровне современных спектрально эффективных видов модуляции, таких как СРМиР(ЗР8К.

В интересах разработки единого устройства детектирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими был рассмотрен УФРУМС как конечный автомат, состояние которого определяется предшествующими в, = {с111_[^в1_2,с1д1_1}, а переход -текущими с!п, (1д1 информационными символами синфазного и квадратурного каналов. Показано, что в случае канала с АБГШ

Л,(П)

А(П)

Рисунок 3

оптимальным по критерию максимума апостериорной вероятности алгоритмом приема радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими является алгоритм Витерби. На рисунке 4 представлена структурная схема устройства, реализующего данный подход, где /*(/),£5*0) - синфазная и квадратурная составляющие смеси АБГШ и полезного радиосигнала.

НО

С 40

Буфер входного сигнала 1*М .

в*М .

Вычисление расстояний

р,( 6ДД.)

о„:т б,

Выбор 'выживших" путей

Декодер

Генератор опорных сигналов на основе УФРУМС

Генератор состояния

У

л,.

Генератор символов

Рисунок 4

Для проверки достоверности полученных решений проведены методом имитационного моделирования исследования по оценке помехоустойчивости разработанной схемы приемного устройства. Показано, что для случая Т-ОрРЭК-, ГрРЭК- и ОМБК-сигналов полученные кривые вероятности битовой ошибки с точностью порядка 0,1 дБ соответствуют приведенным в известной литературе.

В целях анализа эффективности использования разработанной процедуры двух-критериального синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на рисунке 5 построены зависимости спектральной эффективности от помехоустойчивости при вероятности битовой ошибки Рг = 10~3, где кривая 1 соответствует семейству ГрР8К-сигналов, кривая 2 - ОМ8К-сигналов, кривая 3 - множеству синтезированных сигналов.

Показано, что безусловно наилучшим соотношением помехоустойчивость - спектральная эффективность обладают сигналы, оптимальные по критерию минимума эффективной полосы частот. Однако

данные сигналы характеризуются высоким уровнем пик-фактора П > 1,20, что делает функционирование УФРУМС с соответствующими значениями управляющих параметров мало пригодным при нелинейном режиме работы усилителей мощности.

Объединение множества синтезированных сигналов с подмножеством вМЗК-сигналов при ВТЬ > 0,25 обеспечивает возможность генерировать радиосигналы с

помехоустойчивостью в диапазоне Еь/Ы0 е [6,8; 7,2] дБ (Р! = 103), исходя из компро-

7,8 £Д„яБ

Рисунок 5

мисса между уровнем флуктуации огибающей и полосой частот радиосигнала. Это позволяет адаптировать УФРУМС под конкретные условия функционирования с учетом доступного частотного ресурса и режимом работы оконечных каскадов радиопередающего тракта.

Во второй главе разработана процедура двухкритериального, адаптивного к действующим помехам синтеза шумоподобных сигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими для повышения устойчивости современных СПИ в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.

При формировании шумоподобных сигналов с современными видами модуляции наибольшее распространение получила схема четырехфазной передачи двоичной информации, использующая две КП - для синфазной и квадратурной составляющей. Показано, что данная операция эквивалентна расширению всей информационной последовательностью единой КП. Обобщив этот подход на случай применения в СПИ УФРУМС, получили схему для формирования шумоподобных сигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими.

По аналогии с ООРЯК-сигналами для приема шумоподобных сигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими рассмотрена корреляционная схема,

представленная на рисунке 7. Здесь СВН - схема восстановления несущей, ФНЧ - фильтр нижних частот, СВТЧ - схема восстановления тактовой частоты, УВБ — устройство взятия выборки, ЭЗ -

гкп {С,}

Рисунок 6

элемент задержки, ИС - интегратор со сбросом, УПР - устройство принятия решения.

ФНЧ

СВН

УВБ

О

ЭЗ

СВТЧ

*8>—►

ГКП1

о

ФНЧ УВБ

ГКП2 Ср..

н8>

Ркпкг

ис

УПР

Рисунок 7

Проведенный анализ представленной схемы показал, что для канала с АБГШ применение шумоподобных сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими в режиме ОМЭК-сигналов по помехоустойчивости на 6 дБ проигрывает случаю генерации ГОРБК-сигналов.

Главным показателем качества функционирования данной схемы является отношение сигнал-помеха на входе УПР, поэтому задача адаптации к текущей ПО ставится как задача синтеза КП, обеспечивающей минимум мощности помехового сигнала на выходе ИС при условии отсутствия полезного радиосигнала на входе схемы. При этом в качестве помех рассматривалась смесь случайного узкополосного процесса, действующего в рабочем диапазоне частот СПИ, и АБГШ.

С целью реализации синтеза КП в реальном масштабе времени разработана эффективная процедура вычисления СПМ радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, основанная на вычислении фактора повторения спектра подобных сигналов согласно выражениям:

Н^фг - N^ / 2)ДГ) = Нш,„ - ехр(-у'ятг / N^H^ , п = ,

Нш{(п + Мш / 2)Д/) = ИКШп + exp{-jnn/ Nkn)HKng„, п = (1-|Л'А77);0. Здесь {//A37ín} = fft({c;r}), {HkVQJ = fft({cgr}) - дискретные спектры вспомогательных последовательностей, пересчитываемых из единой КП по формулам для FQPSK -Ус2„ ¿вг = (-1Ус«„п, Г = 0,(^-1), для GMSK - с„=(-1)'Пм<-1)Ч, г = 1,(^-1), Свг = (-l)'I"[;;o(-l)'c„г = 0,(^-1), где с10 = 1.

Проведенное имитационное моделирование показало адекватность разработанной процедуры периодограммному методу спектральной оценки. Таким образом, эффективная процедура вычисления СПМ радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими позволяет отказаться от проведения математического моделирования и тем самым до двух раз сократить вычислительные затраты при проведении адаптивного к текущей ПО синтеза КП.

В интересах повышения устойчивости и эффективности процедуры синтеза КП в качестве критерия приближения обосновано использование функционала вида:

"Я!"!

ЛС2=(1-Ч) £ Z(Ge(fM\G(f„)-Ge(f„)\2 +Л, £ )ДС(/„)/Д/|\

»=0 л-1

где G(/„) - СПМ полезного сигнала, Ge(/n) - «эталонный» спектр, AG(/,) - конечная разность СПМ полезного сигнала, Nш - количество элементов канальных КП, Лэ е [0;1] - коэффициент, = ехр(-/142(ц - inf и,)2 / (supu, - inf и,)2) - нелиней-

ное преобразование. Здесь первое слагаемое характеризует степень приближения к «эталону», второе влияет на уровень боковых выбросов АКФ, а нелинейное преобразование позволяет управлять значимостью в процедуре синтеза КП спектральных областей, наименее подверженных воздействию помех.

С целью определения «эталонного» спектра, максимизирующего отношение сигнал-помеха на выходе ИС, рассмотрена задача

maxG](f)df / ^Ge{f)Gn(f)df , где G„(/) - СПМ действующей ПО. Показано,

)3/J. Gt{f)Gn(f)df

С «Т. , f0.5/7i

}IT G,(f)df — 1 и J_oj/r Ge(f)df -1, решением которой является

G,(f) = ^-\G„(f), (7)

где Л,,Я^ - множители Лагранжа. При Á¡=supG„(f) и л6 = 1 выражение (7) соот-

/

ветствуег решению задачи максимизации пропускной способности радиоканала, полученного К. Шенноном.

При оптимизации КП в настоящее время широко используется метод покоординатного спуска. Однако данный подход требует большого числа вычислительных операций, а также характеризуется высокой чувствительностью к начальным условиям. В связи с этим метод покоординатного спуска мало эффективен при оптимизации КП длиной более 100 элементов. Поэтому сотрудниками кафедры радиоуправления и связи РГРТУ разработана блочная процедура оптимизации, когда на каждой итерации происходит изменение не одного элемента, а целого блока, при этом размер блоков постепенно уменьшается по ходу приближения к точке оптимума. Также для увеличения вероятности достижения глобального максимума можно применять двухэтапную процедуру оптимизации КП. При этом на первом этапе используется блочная процедура, а на втором - метод покоординатного спуска.

Проведенный на основе метода имитационного моделирования анализ эффективности этих методов для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими показал, что наилучшим сочетанием быстродействие - точность приближения обладает блочная процедура оптимизации.

Для адаптации СПИ к действующим мешающим факторам требуется оперативно отслеживать ПО. Так как на практике имеется два механизма ухода от помех - перестройкой синтезатора частот и синтезом КП, разработана процедура спектральной оценки ПО на основе аппарата быстрого преобразования Фурье, параллельно отслеживающая зашумленность доступных диапазонов частот и структуру спектра мешающего сигнала внутри рабочего диапазона. Методом имитационного моделирования показано, что предложенный подход обеспечивает ослабление СКО выборочного спектра в 4...7 раз при продолжительности переходного процесса порядка 15... 111 битовых интервалов.

Для анализа взаимодействия разработанных процедур спектрального оценивания и синтеза КП проведено имитационное моделирование воздействия на приемник радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими узкополосной помехи с шириной спектра 5 %. При этом эффективность функционирования предложенных процедур оценивалась на основе коэффициента дополнительного ослабления помехи и среднеквадратического значения уровня боковых выбросов

(УБВ) АКФ у2:

ух = lOlog,,,^ / р,то), У2 = .

где Ркпо, Рш - мощности помехи на входе УПР до и после процедуры адаптивного к ПО синтеза КП, Щт) - АКФ радиосигнала с управляемой связью между квадратурными составляющими. Показано, что множества «нехудших» по данным критериям качества КП достигается при следующих значениях коэффициентов:

для FQPSK-сигналов: Л4 е [0;2,5], Я3(Л4) = 0,044Л43 - 0,143Д,2 - 0,265Л4 + 0,896; для GMSK-сигналов: Л4 е [0;3], Л, = 0.

На основе анализа этих множеств показано, что сформированные GMSK-сигналы проигрывают FQPSK-сигналам порядка 5 дБ в подавлении помех и более 7 % в УБВ АКФ. Таким образом, доказана нецелесообразность использования GMSK-сигналов при формировании шумоподобных сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими. При этом в случае FQPSK-сигнала обеспечивается подавление узкополосной помехи порядка 11 дБ при Я4 = 2,5. Проведенные анало-

гичные исследования ГОРБК-сигналов для помех с относительной полосой 10% и 20 % показали, что применение разработанной процедуры синтеза КП обеспечивает ослабление данных мешающих факторов на 10 дБ и 9 дБ соответственно.

С целью учета при синтезе КП компромисса между степенью подавления помех и УБВ АКФ на основе полученных зависимостей у,(Л4) и /2(Я4) для рассмотренных

видов ПО предложены характеристики вида ^О1с(А4) = 1-0,4Д4 и у02с(Я4) = 0,4А, при Л4 е [0;2,5]. Эти зависимости с ошибкой менее 10 % определяют относительный уровень достигаемых величин дополнительного коэффициента усиления помехи и УБВ АКФ при заданном значении параметра Д,.

Также методом имитационного моделирования показано, что в случае действия гармонической помехи разработанная процедура адаптивного синтеза КП позволяет дополнительно по сравнению с шумодобными сигналами на основе ПСП обеспечить уровень подавления мешающего сигнала на 25 дБ и более.

В третьей главе проведено макетирование на современной элементной базе разработанного УФРУМС, в ходе экспериментов исследованы спектральные и энергетические характеристики генерируемых сигналов, а также рассмотрены аспекты практической реализации разработанных процедур спектральной оценки ПО и адаптивного к текущей помехе синтеза КП для СПИ, использующих шумоподобные ОМБК- и РОРБК-сигаалы.

С целью практической реализации УФРУМС был разработан макет на основе оценочных плат ЦСП ВР537 и МЦСС АБ9957, взаимодействие между которьми реализовано с использованием последовательного и параллельного интерфейсов, а также шины управления.

Проведенные экспериментальные исследования СПМ генерируемых радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими показали, что при скорости передачи менее 790 кбит/с удовлетворяются требования к уровню внеполос-ного излучения в соответствии с рекомендациями Комитета ССБББ (спектральная маска БРСв для низкоскоростных приложений) и нормами Государственной комиссии по радиочастотам, установленными для систем с кодовым разделением каналов гражданского назначения. При этом максимальная достижимая на макете УФРУМС скорость передачи составила 1 Мбит/с. Также показано, что изменения формы СПМ, возникающие при уменьшении до 12 числа точек на символьном интервале, незначительно влияют на занимаемую полосу частот, так как не искажают форму главного лепестка спектра, а воздействуют лишь на внеполосное излучение радиосигнала с относительным уровнем менее -35 дБ.

В интересах анализа энергетических характеристик проведены измерения сигнальных созвездий радиосигналов, генерируемых на разработанном макете при разных значениях управляющих параметров. Показано, что чувствительность пик-фактора к уменьшению частоты дискретизации тем больше, чем меньше теоретический уровень флуктуаций огибающей радиосигнала. Таким образом, уменьшение количества отсчетов на символьном интервале до 12 всего на 0,1 дБ (на 0,02 в абсолютном значении) увеличивает пик-фактор сигналов с Т-ООРБК и оптимизированных по критерию минимума эффективной полосы частот по сравнению со случаем 64 отсчетов. Для таких видов модуляции, как РРРЗК и ОМ8К, при тех же условиях наблюдается изменение уровня флуктуаций огибающей более чем на 0,7 дБ или на 0,1 в абсолютном значении.

С целью выбора элементной базы для реализации разработанных процедур спектральной оценки ПО и адаптивного к текущим помехам синтеза КП проведен анализ влияния разрядности представления операндов на степень подавления мешающего воздействия. Методом имитационного моделирования показано, что при 16-значном представлении операндов коэффициент подавления помехи равен значению, потенциально достижимому на разработанной алгоритмической базе. Для длин КП не более 512 элементов в целях экономии вычислительных ресурсов можно ограничиться разрядностью 12 бит. При этом проигрыш в коэффициенте усиления помехи составит менее 15 %, а выигрыш в аппаратных ресурсах, необходимых для реализации умножения, составит более 50 % и 25 % - для операций сложения.

В интересах определения требуемого быстродействия ЦСП при реализации процедур оценки ПО и синтеза КП получены зависимости количества элементарных операций в секунду от длины расширяющей КП. Показано, что при длине единой КП не более 1024 элементов использование ЦСП ВР537 обеспечивает скорость передачи информационного потока 32 кбит/с и оперативность адаптации КП к изменениям в ПО менее 50 мс. При увеличении длины КП и/или скорости передачи обоснована целесообразность совместного применения ЦСП и ПЛИС для распараллеливания вычислений в алгоритме БПФ. На основе проведенного анализа сформулированы требования к данным микросхемам. Показано, что при длине единой КП 2048 элементов и скорости передачи информационного потока 32 кбит/с возможно использование ЦСП ВР537 и ПЛИС ХС385000 для реализации разработанных процедур спектральной оценки ПО и адаптивного синтеза КП.

С целью оценки эффективности совместного использования процедуры оптимизации КП и предложенного УФРУМС проанализированы СПМ шумоподобных сигналов, формируемых на базе разработанного макета. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что разработанная процедура оптимизации КП в режиме РОРЭК-сигиалов обеспечивает формирование провала в 13,5 дБ при относительной ширине полосы частот 12,5 % и 11 дБ - при ширине 25 %. Данные результаты хорошо согласуются с оцененными в главе 2 характеристиками подавления помех с ограниченным спектром.

Таким образом, на основе разработанного макета УФРУМС достижима скорость передачи информационного потока в режиме прямого расширения спектра порядка 3,5 кбит/с при 12 отсчетах на символьный период.

В заключении приведены основные научные и практические результаты диссертационной работы.

1 Предложено общее представление ОМБК- (при ВТЬ е [0,26; 0,6]) и РС^РБК-

сигналов на основе радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающее ошибку приближения по углу не более 5°, а по амплитуде не более 0,5 дБ, при этом достигается уменьшение уровня первых боковых лепестков СПМ на 3 дБ и более в случае ОМ8К-сигналов и увеличение скорости спада внеполосного излучения на 20 дБ/дек в случае ГОРБК-сигналов.

2 Получены в аналитическом виде выражения для частотного спектра, спектральных и энергетических характеристик, а также помехоустойчивости радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

3 Показано, что радиосигналы с управляемой связью между квадратурными составляющими позволяют на 50 % варьировать ширину главного лепестка спектра пе-

рестройкой двух параметров, обеспечивая скорость спада внеполосного излучения на уровне 60 дБ/дек.

4 Разработана процедура синтеза по комбинированному критерию качества радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, позволяющая варьировать полосу частот радиосигнала в пределах 28 %, а уровень флуктуа-ций огибающей - до 1,9 дБ.

5 Показано, что оптимальный по критерию минимума вероятности битовой ошибки прием сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими обеспечивается алгоритмом Витерби, на основе которого разработана структурная схема устройства детектирования сигналов, генерируемых УФРУМС.

6 Доказано, что в случае объединения множества синтезированных сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими с подмножеством реализуемых на УФРУМС СМ8К-сигналов возможно управлять помехоустойчивостью в диапазоне Еь / Ы0 е[6,4;7,2] дБ (Ре - 10~3), исходя из компромисса между уровнем

флуктуаций огибающей и полосой частот радиосигнала.

7 Разработана эффективная процедура расчета СПМ радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при реализации четырехфазной передачи двоичного информационного потока в режиме ОМБК- и РОРБК-сигналов, обеспечивающая сокращение вычислительных затрат в 2 раза по сравнению с математическим моделированием.

8 Обосновано применение в процедуре адаптивного синтеза КП критерия приближения, позволяющего управлять степенью подавления действующих помех при некоторых изменениях корреляционных свойств полезного радиосигнала, а также включающего нелинейность, которая повышает эффективность перераспределения энергии полезного радиосигнала между «чистыми» и зашумленными участками спектра. Данный подход обеспечивает увеличение выигрыша в подавлении помех порядка 8 дБ и 6 дБ для режимов БС^РвК и (ЗМБК соответственно.

9 Доказано методами вариационного исчисления, что выбор «эталонного» спектра на основании критерия максимума отношения сигнал-помеха на выходе оптимального приемника соответствует в частном случае решению, полученному К. Шенноном, для задачи максимизации пропускной способности радиоканала СПИ.

10 Показано, что наилучшей в плане компромисса между быстродействием и точностью приближения к области глобального оптимума является блочная процедура, характеризуемая наибольшей среди рассмотренных устойчивостью решений к выбору начальных условий, форме «эталонного» спектра и смене вида модуляции полезного радиосигнала.

11 Разработана процедура двухкритериального, адаптивного к текущей ПО синтеза ЮТ для радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающая дополнительное по сравнению с ПСП той же длины подавление ПОС на 9 дБ, узкополосных - на 11 дБ и гармонических - на 25 дБ и более.

12 Доказано, что РС^РЭК-сигналы позволяют обеспечить большее (выигрыш порядка 5 дБ) по сравнению со случаем ОМ8К-сигналов подавление помех при меньшем (выигрыш более 7 %) среднеквадратическом значении УБВ АКФ.

13 Разработан макет УФРУМС на основе оценочных плат ДСП ВР537 и МЦСС А09957, позволяющий обеспечить скорость передачи информационного потока до 1 Мбит/с при уровне флуктуаций огибающей порядка 1,2 дБ и до 400 кбит/с при значении пик-фактора не более 0,5 дБ.

14 Доказано, что при практической реализации радиосигналы с управляемой связью между квадратурными составляющими удовлетворяют требованиям к уровню внеполосного излучения в соответствии с рекомендациями Комитета ССБОЯ (спектральная маска вРСО для низкоскоростных приложений) и нормами Государственной комиссии по радиочастотам, установленными для систем с кодовым разделением каналов гражданского назначения.

15 Показано, что при реализации адаптивного к действующей ПО синтеза КП достаточным является 16-значное представление операндов. Доказано, что уменьшение разрядной сетки до 12 бит позволяет производить адаптацию КП длиной не более 512 элементов при выигрыше в аппаратных ресурсах на реализацию умножения более чем на 50 % и на 25 % для операций сложения. При этом проигрыш в коэффициенте подавления помехи составляет менее 15 %.

16 Обосновано при практической реализации процедур оценки ПО и оптимизации КП совместное использование ЦСП и ПЛИС. Показано, что данный подход за счет распараллеливания вычислений позволяет сократить время вычисления 1024-точечного БПФ более чем в 150 раз. Сформулированы требования к вычислительным ресурсам элементной базы, которым удовлетворяют ЦСП ВР537 и ПЛИС ХСЗ 85000.

17 Доказано, что на основе разработанного макета УФРУМС достижима скорость передачи информационного потока в режиме прямого расширения спектра порядка 3,5 кбит/с при выборе частоты дискретизации, соответствующей Мс= 12.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Кириллов С.Н., Покровский П.С. Программируемый модулятор для унифицированных систем передачи информации // 15-я международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи информации в сетях и системах телекоммуникаций»: тез. докл. Рязань, 2008. С. 61-62.

2 Кириллов С.Н., Покровский П.С. Унифицированный программно-управляемый квадратурный формирователь радиосигналов // 34-я всероссийская научно-техническая конференция «Информационные и телекоммуникационные технологии. Подготовка специалистов для инфокоммуникационной среды». Рязань, 2009. С. 346-347.

3 Покровский П.С. Программно-управляемый квадратурный формирователь радиосигналов для служб изучения космического пространства // 14-я всероссийская научно-техническая конференция «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании (НИТ-2009)». Рязань, 2009. С. 324-325.

4 Покровский П.С., Семин Д.С. Телемедицинские системы дистанционного мониторинга и диагностики самочувствия // Международная конференция с элементами научной школы для молодёжи «Биотехнические, медицинские, экологические системы и комплексы». Рязань, 2009. С. 474-479.

5 Кириллов С.Н., Покровский П.С., Семин Д.С. Универсальный помехозащи-щенный тракт передачи информации // Труды 12-й международной конференции и выставки «Цифровая обработка сигналов и ее применение - В8РА-2010». Т. 2, Москва, 2010. С. 281-283.

6 Кириллов С.Н., Покровский П.С. Адаптивный к помеховой обстановке алгоритм синтеза кодовой последовательности ООРЭК- и МБК-сигналов // 16-я международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи информации в сетях и

системах телекоммуникаций»: тез. докладов. Рязань: Рязанский государственный радиотехнический университет, 2010. С. 92-93.

7 Покровский П.С. Нефизическая модель для устойчивого предсказания траектории движения КО // 15-я всероссийская научно-техническая конференция «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании (НИТ-2010)». Рязань, 2010. С. 135-136.

8 Покровский П.С. Процедура адаптивного к помеховой обстановке синтеза кодовой последовательности OQPSK- и MSK-сигналов для промышленных систем управления // Вестник РГРТУ, № 4, выпуск 34,2010. С.43-50.

9 Кириллов С.Н., Слесарев A.C., Покровский П.С., Семин Д.С. Реализация программно-управляемого формирователя радиосигналов телекоммуникационных систем на основе прямого цифрового синтеза // Труды 13-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA-2011». Москва, 2011. С 267270.

10 Покровский П.С. Устойчивая процедура синтеза сигнального созвездия для создания универсальной системы передачи информации / Информационные технологии: межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТУ, 2011. С. 122-126.

11 Кириллов С.Н., Покровский П.С. Программно-управляемый квадратурный формирователь спектрально эффективных видов радиосигналов на основе «зависимых» последовательностей импульсов // Вестник РГРТУ, №2, выпуск 36, 2011. С. 2427.

12 Кириллов С.Н., Покровский П.С. Процедура многокритериального синтеза сигнального созвездия для спектрально эффективных видов модуляции радиосигнала // Перспективные технологии в средствах передачи информации (ПТСПИ-2011): материалы 9-й международной научно-технической конференции/ Владим. гос. ун-т. -Владимир: ВлГУ, т.З. - 2011. С.36-40.

13 Кириллов С.Н., Слесарев A.C., Покровский П.С., Семин Д.С., Афанасьев Д.В. Программно управляемый формирователь радиосигналов космических систем передачи информации // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий: тез. докладов 4-й Всероссийской научно-технической конференции / ОАО «Российские космические системы». - М.: Радиотехника, 2011. С.183-184.

14 Семин Д.С., Покровский П.С. Алгоритм адаптации помехоустойчивого кодера на основе апостериорной информации о частоте битовых ошибок // Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании (НИТ-2011): материалы 16-й всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов / РГРТУ. - Рязань: РГРТУ, 2011. С. 97-99.

15 Покровский П.С., Семин Д.С. Вероятностные модели воздействия различных типов помех на бинарный кодированный поток при современных видах модуляции радиосигнала // Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании (НИТ-2011): материалы 16-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов / РГРТУ. - Рязань: РГРТУ, 2011. С. 99-101.

Покровский Павел Сергеевич

Процедуры формирования адаптивных к мешающим факторам радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими для систем передачи информации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Отпечатано ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии, 390025, Рязань, ул. Щорса, д. 38/11 Формат бумаги 60x84 1/16 Условных печатных листов 1 Тираж 100 экз. Заказ № 56.

10 апреля 2012 г.

61 12-5/2391

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Покровский Павел Сергеевич

ПРОЦЕДУРЫ ФОРМИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ К МЕШАЮЩИМ ФАКТОРАМ РАДИОСИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ ДЛЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ

ИНФОРМАЦИИ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Научный руководитель: д.т.н., профессор Кириллов Сергей Николаевич

Рязань-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................7

1 РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУРЫ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ.......................................16

1.1 Вводные замечания........................................................................16

1.2 Аппроксимация радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими последовательностями

«зависимых» импульсов........................................................................... 18

1.2.1 Обоснование представления радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе последовательностей «зависимых» импульсов.............. ....................18

1.2.2 Минимизация ошибки формирования РОР8К-сигналов.......28

1.3 Разработка формирователя СРМ-сигналов на основе

управляемой связи между квадратурными составляющими............30

1.4 СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОСИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ..........................................................................................39

1.4.1 Расчет спектра радиосигнала с управляемой связью между квадратурными составляющими...................... ..................................39

1.4.2 Расчет пик-фактора сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими...................... ..................................46

1.4.3 Анализ спектральных и энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими....................................................................................53

1.5 Синтез радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими по двум показателям качества... 57

1.5.1 Минимизация полосы частот радиосигнала.........................57

1.5.2 Минимизация пик-фактора радиосигнала.............................59

1.5.3 Синтез радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими по комбинированному критерию качества.................................................................................................61

1.6 Помехоустойчивость сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими............................................................65

1.6.1 Оценка помехоустойчивости.................... ..............................65

1.6.2 Синтез оптимального устройства детектирования сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.......68

1.6.3 Анализ помехоустойчивости сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими................. ..........................71

1.7 Выводы..............................................................................................76

2 РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУРЫ ДВУХКРИТЕРИАЛЬНОГО, АДАПТИВНОГО К ДЕЙСТВУЮЩИМ ПОМЕХАМ СИНТЕЗА РАСШИРЯЮЩЕЙ КОДОВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ СИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ КВАДРАТУРНЫМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ.......................................80

2.1 Вводные замечания........................................................................80

2.2 Разработка быстрой процедуры расчета спектральной плотности мощности для сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при расширении спектра...............82

2.3 Обоснование критерия приближения и выбор процедуры оптимизации расширяющих КП..............................................................88

2.3.1 Обоснование критерия качества приближения расширяющей КП .....................................................................................................88

2.3.2 Выбор процедуры оптимизации расширяющей КП для сигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими при расширении спектра............................................................................92

2.4 Процедура спектральной оценки помеховой обстановки......98

2.4.1 Разработка двухуровневой процедуры спектральной оценки

помеховой обстановки.........................................................................^

2.4.2 Обоснование выбора параметров процедуры оценки помеховой

обстановки..........................................................................................

2.4.3 Исследование эффективности разработанной процедуры спектральной оценки помеховой обстановки..................................107

2.5 Прием сигналов с управляемой связью между

квадратурными составляющими при четырехфазной передаче двоичного информационного потока.................................................. 110

2.6 Анализ эффективности функционирования предложенной процедуры синтеза КП.............................................................................. 114

2.6.1 Исследование эффективности подавления узкополосных помех для сигналов УФРУМС в режиме Р<2Р8К........................................114

2.6.2 Исследование эффективности подавления ПОС и гармонических помех для сигналов УФРУМС в режиме Р()Р8К.. 119

2.6.3 Анализ влияния длины КП на степень подавления помех и величину УБВ АКФ для сигналов УФРУМС в режиме РОРБК......124

2.6.4 Исследование эффективности подавления узкополосных помех для сигналов УФРУМС в режиме СМБК.........................................127

2.7 Выводы............................................................................................129

3 ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ ПРОЦЕДУР ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ.................................................................................133

3.1 Вводные замечания..................................................•...................133

3.2 Аппаратно-программная реализация устройства формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими..........................................................134

3.3 Экспериментальные исследования характеристик

радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими........................................................................................ 142

3.3.1 Экспериментальное определение скорости передачи разработанного макета....................................................................142

3.3.2 Экспериментальное исследование спектральных характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими......................................................144

3.3.3 Экспериментальное исследование энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими......................................................147

3.4 Исследования по реализации процедуры адаптивного к действующим помехам синтеза кодовой последовательности .... 152

3.4.1 Анализ влияния разрядности представления данных на эффективность процедуры синтеза кодовой

последовательности..........................................................................152

3.4.2 Обоснование рекомендаций по выбору элементной базы при реализации адаптивного к текущей ПО синтеза КП....................155

3.4.3 Реализация операции расширения спектра на основе устройства формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.........................................158

3.5 Реализация адаптивной к текущей помеховой обстановке системы передачи информации..............................................................161

3.6 Выводы............................................................................................163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................165

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ...............................185

ПРИЛОЖЕНИЕ В. КОПИИ АКТОВ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ........................................................197

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время из-за широкого распространения беспроводных систем передачи информации (СПИ) особое внимание уделяется вопросам электромагнитной совместимости различных радиотехнических устройств. Это обстоятельство обусловлено тем, что практически весь доступный для радиосвязи диапазон частот на сегодняшний день не только перекрыт, но и в достаточной мере перегружен. В связи с чем приходится разрабатывать новые типы радиосигналов, обеспечивающих повышение спектральной эффективности. Значительный вклад в развитие подобных спектрально эффективных видов модуляции внесли отечественные и зарубежные ученые Я.Д. Ширман, Л.Е. Варакин, Д.Е. Вакман, P.M. Седлецкий, Л.С. Гуткин, С.Б. Макаров, К. Шеннон, Г. Ван Трис, Ч. Кук, М. Бернфельд, Л. Френке и др. [1.. .9].

Однако сужение полосы частот приводит к возникновению флуктуаций огибающей радиосигнала, что является причиной паразитной модуляции, имеющей место в нелинейных каскадах приемопередающего радиотракта [10, 11]. Данный эффект в свою очередь повышает уровень внеполосного излучения, ухудшая электромагнитную совместимость СПИ, использующих общий частотный ресурс. Для борьбы с паразитной модуляцией к настоящему моменту разработаны СРМ- и FQPSK- сигналы [12, 13], использующие взаимную связь между синфазной и квадратурной составляющими комплексной огибающей. Подобный подход позволяет получать спектрально эффективные радиосигналы с постоянным или квазипостоянным уровнем огибающей, за счет чего данные виды модуляции получили широкое распространение в космических и спутниковых СПИ [14].

Данные виды модуляции являются узко специалируемыми [12... 14], то есть предназначены на применение в строго определенных условиях, что требует разработки уникальных приемопередающих модулей. Подобный подход накладывает естественные ограничения на свойства адаптации приемопере-

дающего тракта к особенностям различных приложений. Поэтому при проектировании гибких программно-управляемых СПИ приходится расширять номенклатуру функциональных узлов, закладывая в программно-аппаратной части несколько модуляторов и демодуляторов, включаемых в зависимости от конкретных условий применения [15, 16]. Это в итоге приводит к увеличению массогабаритных показателей радиоаппаратуры и повышению энергетических затрат СПИ в целом. Таким образом, целесообразна разработка единого универсального программно-управляемого формирователя радиосигналов, способного генерировать РрРБК- и СРМ- сигналы.

В ходе функционирования СПИ радиосигналы должны удовлетворять не одному, а совокупности требований таких, как минимизация полосы частот, максимизация помехоустойчивости, снижение энергетических затрат и т.п. [4, 17, 18]. Поэтому выбор параметров данного универсального формирователя должен происходить на основе теории двухкритериальной оптимизации [19]. Таким образом, актуальна задача разработки процедуры двухкритериального выбора параметров универсального программно-управляемого формирователя радиосигналов. Данный подход позволит получать новые виды радиосигналов, комбинирующие различные свойства известных типов модуляции.

Современные виды радиосигналов базируются в основном на эмпирических подходах и поэтому зачастую не подкрепляются математическим аппаратом, позволяющим исследовать в аналитическом виде спектральные и энергетические характеристики, а также помехоустойчивость проектируемой СПИ [20]. Как известно [7], для решения задач синтеза оптимальных устройств приема, а также получения радиосигналов с заданными критериями качества требуется разработать строгое математическое описание спектральных и энергетических свойств данных видов модуляции. Для этого необходимо отталкиваться от общего принципа взаимной связи синфазной и квадратурной составляющих СРМ- и РС^РЭК- сигналов. В качестве такого обобщающего начала актуально рассмотреть аппарат управляемой связи между квадратурными состав-

ляющими, который позволит получить в аналитическом виде общие выражения для спектра, пик-фактора, а также вероятности приема ошибочного бита для современных спектрально эффективных радиосигналов.

В настоящее время при реализации защищенных СПИ используют шумо-подобные сигналы, обеспечивающие высокую по сравнению с простыми радиосигналами помехоустойчивость и скрытность радиолинии [2, 8]. При этом как показано в работах [21, 22] применение подобных сигналов позволяет производить адаптацию расширяющей кодовой последовательности (КП) к действующим мешающим факторам. Однако данный аппарат синтеза КП применим только к сигналам с двоичной фазовой манипуляцией и модуляцией с минимальным частотным сдвигом. Учитывая особенности данных видов радиосигналов полученные процедуры и алгоритмы не могут быть непосредственно использованы при формировании КП в современных СПИ, использующих новые спектрально эффективные виды модуляции. В связи с этим, актуальна задача разработки процедур адаптации к действующим помехам расширяющей КП для СРМ- и РС>Р8К- сигналов.

На практике процесс адаптации радиосигнала к текущей помеховой обстановки (ПО) в ходе функционирования минимизирует рассчитанный в спектральной области критерий приближения. Как известно [23, 24], данная задача является некорректно поставленной, поэтому разрабатываемые процедуры адаптации должны строятся с применением аппарата регуляризации, разработанного А.Н. Тихоновым.

На сегодняшний день формирование радиосигналов осуществляется на основе программно-аппаратной реализации приемо-передающего тракта [13]. При этом в виду ограниченности вычислительных ресурсов стараются сократить разрядность представления операндов и частоту дискретизации, что в свою очередь приводит к искажениям характеристик генерируемых сигналов. В связи с этим актуальна задача проведения исследований по оценке устойчивости разрабатываемых процедур формирования радиосигналов к подобного рода

искажениям. Также для анализа потенциальной реализуемости на основе современной элементной базы предлагаемого универсального устройства формирования радиосигналов необходимо провести макетирование передающего модуля.

Цель работы. Целью данной работы является разработка двухкритериаль-ных процедур формирования спектрально и энергетически эффективных видов радиосигналов на основе управляемой связи между квадратурными составляющими для адаптации к мешающим факторам СПИ.

Поставленная цель работы включает решение следующих задач:

1 Разработать процедуру формирования радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе последовательностей «зависимых» импульсов для аппроксимации семейств СРМ- и РС>Р8К-сигналов.

2 Получить и проанализировать аналитические зависимости для расчета спектра, а также спектральных и энергетических характеристик радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

3 Обосновать комбинированный критерий качества, учитывающий требования на спектральную и энергетическую эффективность радиолинии, и процедуру синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

4 Провести анализ помехоустойчивости с учетом заданных требований на занимаемую полосу частот и уровень флуктуаций огибающей, а также разработать структуру оптимального приемника на основе представления радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими посредством конечного автомата.

5 Разработать эффективную процедуру расчета спектра радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе струк-

турных особенностей данного класса модуляции при четырехфазной передачи бинарного информационного потока в режиме прямого расширения спектра.

6 Обосновать комбинированный критерий приближения, регуляризирую-щий задачу минимизации за счет дополнительных ограничений, накладываемых на автокорреляционную функцию (АКФ) сигнала, и выбрать процедуру оптимизации расширяющей КП для синтеза радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающих за счет структурных особенностей дополнительное подавление действующих помех.

7 Провести макетирование универсального формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими на основе современной элементной базы, включающей цифровой сигнальный процессор (ЦСП) и микросхему цифрового синтеза сигналов (МЦСС).

8 Проанализировать устойчивость разрабатываемых процедур адаптивного к действующим помехам синтеза радиосигналов к разрядности представления операндов при аппаратно-программной реализации на основе ЦСП и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Методы проведения исследований. В ходе работы использовались методы функционального и спектрального анализа, статистической радиотехники, математической статистики, а также вариационного счисления. Перечисленные теоретические методы сочетались с имитационным моделированием и натурными испытаниями на основе действующего макета универсального формирователя радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы получены новые научные результаты:

1 Предложено общее представление ОМЖ- (при ВТЬ е [0,26; 0,6]) и Р(^Р8К-сигналов на основе радиосигналов с управляемой связью между квадратурными составляющими, обеспечивающее ошибку приближения по углу не

более 5°, а по амплитуде менее 0,5 дБ, при этом достигается уменьшение уро�