автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка алгоритмов и устройствобнаружения широкополосных сигналовв многолучевых каналах связи

На правах рукописи

Ой-

Щукин Николай* Иванович

Разработка алгоритмов и устройств обнаружения широкополосных сигналов в многолучевых каналах связи

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1996

Работа выполнена в Воронежском научно-исследовательском институте связи

Научный руководитель • кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Гармонов A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

ч.тен-корресцондент академии инженерных науг. России . Рыжков A.B., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Волошин JI.A.

Ведущая организация Московский научно-исследовательский радиотехнический институт

Защита диссертации состоится 14 июня 1996 г. в 1300 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета К.063.81.05 Воронежского государственного технического университета по адресу:

394026, г.Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан апреля 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета озьмин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние развития систем подвижной радиотелефонной спязи характеризуется все более широким использованием сотовых систем, которые позволяют создавать глобальные сети персональной связи, обеспечивающие высокое качество и надежность передачи сообщений В настоящее время в мире существует несколько стандартов систем, которые отличаются друг от-друга и используют принципы частотного, временного и кодового разделения каналов. Накопленный в мире опыт эксплуатации систем сотовой радиотелефонной связи показывает, что системы связи с широкополосными сигналами (ШПС) являются наиболее перспективными для использования в сложных условиях внешней электромагнитной обстановки и нестационарной среде распространения радиоволн.

Известно, что обеспечение устойчивых характеристик канала связи с подвижным объектом, перемещающимся с большой скоростью в условиях холмистой и горной местности, 'а также в условиях высокоэтажной городской застройки, представляет одну из самых значительных проблем. Радиосигнал распространяется от передатчика до приемника по многим путям, испытывая многократные переотраже-« ния, причем время распространения, допплеровский сдвиг частоты и затухание по каждому из лучей являются случайными величинами. Радикальным способом обеспечения надежной связи является использование широкополосных сигналов, обеспечивающих возможность разделения лу^ей по времени прихода. За счет раздельной обработки каждого из лучей и последующего оптимального их суммирования ' глубина замираний суммарного сигнала уменьшается и энергетический потенциал радиолинии возрастает. Эффект многолучевого распространения, играющий негативную роль в узкополосны^ системах, становится положительным фактором в системах связи с ШПС, поскольку многочисленные переотражатели выполняют роль "зеркал", направ-. ляющих энергию сигнала от передатчика к приемнику.

Кроме этого, системы связи с ШПС обладают высокой защищенностью от узкополосных помех, тогда как сами создают минимальную помеху за счет низкой спектральной плотности мощности сигнала. Устройства защиты от узкополосных помех обеспечивают работоспособность При значительном превышении уровня помех над сигналом.

Все эти факторы в совокупности обеспечивают системам с ШПС большие перспективы развития, о чем свидетельствует постоянно растущий мировой объем инвестиций в разработку проектов широкополосных систем.

Однако реализация положительных качеств систем с ШПС требует совместного учета факторов многолучевости и обеспечения защити от узкополосных помех. Традиционно эти вопросы рассматривались раздельно и без учета их взаимовлияния. В результате проводившихся исследований разработаны как эффективные методы защиты широкополосных систем от узкополосных помех,так и способы обработки многолучевых сигналов. В то же время, использование известных устройств защиты от узкополосных помех приводит к искажениям автокорреляционной функции (АКФ) сигнала и вызывает появление дополнительных боковых выбросов ог основного сигнального отклика, которые могут быть восприняты как независимые канальные лучи, что приводит в условиях многолучевого распространения к возникновению эффекта маскировки задержанных во времени канальных лучей бокоиымн выбросами основного наиболее сильного луча, при этом выделение более слабых независимых лучей становится трудноразрешимой задачей. Как следствие, это вызывает снижение энергетического потенциала радиолинии.

Таким образом, в широкополосных системах связи существует реальная проблема снижения помехоустойчивости приема ШПС при непосредственном объединении известных алгоритмов и устройств защиты от узкополосных помех и процедур обработки многолучевых сигналов.

С другой стороны, на начальном этапе синхронизации аппаратуры в системе связи возникает задача обнаружения многолучевых ШПС, которую приходится решать в условиях значительной априорной неопределенности относительно статистических характеристик сигналом и помех, когда получение достоверных оценок параметров сигнала н канала связи не представляется возможным. Кроме того, к системе обнаружения предъявляются противоречивые требования обеспечения как минимальной вероятности пропуска, так и вероятности ошибки при различении сигналов. В связи с этим возникает проблема выбора критериев оптимальности алгоритмов многоканального обнаружения ШПС и синтеза таких структур обнаружителей, которые учитывали бы разнородные требования к системе.

Наличие ограничений на скорость и объем вычислений современных устройств цифровой обработки сигналов вызывает необходимость поиска новых субоптимальных и нетрадиционных алгоритмов обработки ШПС, отличающихся невысокой вычислительной сложностью, и обеспечивающих близкие к потенциальным характеристики помехоустойчивости. Все это подтверждает актуальность исследования вопросов обнаружения ШПС в многолучевых каналах при режекции

узкополосных помех, которые позволили бы повысить качественные характеристики систем связи.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов выделения независимых компонент многолучезых широкополосных сигналов и оптимального их обнаружения при частотной режек-ции узкополосных помех для систем цифровой радиотелефонной связи, позволяющих повысить их помехоустойчивость.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование методов устранения влляния частотной режек-ции в устройствах защиты от узкополосных помех на автокорреляционную функцию сигнала, дискриминационную характеристику системы слежения за задержкой и когерентность восстановленной несущей частоты. Определение влияния особенностей спектральной обработки на величину ошибки оценки параметров многолучевого сигнала.

2. Исследование алгоритмов многоканального обнаружения сигналов в условиях статистической и критериальной неопределенности.

3. Разработка устройств приема широкополосных сигналов в многолучевых каналах на основе перестраиваемых согласованных фильтров.

4. Исследование помехоустойчивости алгоритмов многоканального обнаружения.

Методы 1 исследований. Для решения перечисленных задач были использованы методы математической статистики, теории многокритериальной оптимизации, аппарат теории вероятностей, методы спектрального анализа. Основные теоретические результаты проверены путем статистического имитационного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен метод обработки ШПС о многолучевых каналах, устраняющий искажения АКФ сигнала, возникающие при частотном режекции в устройствах защиты от узкополосных помех, который основан на частотном сдвиге нережектированных компонент спектра сигнала в область режектарованных частот с целью придания квазигладкого и унимодального характера огибающей спектра сигнала.

2. Предложен обобщенный векторный критерий оптимальности системы многоканального обнаружения сигналов, позволяющий учесть разнородные требования к вероятностям ложного и ошибочного обнаружений и вероятности пропуска сигнала.

л .

3. Синтезирована модифицированная структура многоканального обнаружителя, обобщающая ранее известные алгоритмы обнаружения сигнала на интервале и в точке. ■ •

4. Разработано устройство обработки ШПС на основе укороченного согласованного фильтра с перестраиваемой импульсной характеристикой, которое по своим структурным и функциональным свойствам является промежуточным между коррелятором и согласованным фильтром.

5. Разработано устройство обнаружения многолучевых сигналов, отличающееся небольшой вычислительной сложностью.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Предложенный метод Преобразования спектра ШПС после частотной режекцин в у£тройствах защиты от узкополосных помех позволяет разрабатывать узлы цифровой обработки для различных систем широкополосной связи, отличающиеся высокой помехоустойчивостью в условиях нестационарной помеховой обстановки.

2. Синтезированная структура многоканального обнаружителя позволяет путем задания конкретного значения скалярного весового коэффициента решать проблему выбора наиболее эффективного обнаружителя при заданных условиях "обнаружения и может быть исполь. зована для построения обнаружителей в системах поиска широкополосных сигналов на начальном этапе синхронизации.

3. При технической реализации разработанного устройства обработки ШПС на основе укороченного перестраиваемого согласованного фильтра требуется в несколько раз меньший объем памяти и производительность процессора цифровой обработки сигналов по сравнению с согласованным фильтром.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты теоретических исследований и изобретения использованы в аппаратуре широкополосной связи, разработанной Воронежским НИИ связи и выпускаемой предприятиями радиоэлектронной промышленности, о чем имеется соответствующий акт внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту: .

1. Метод частотного смещения спектральных компонент многолучевого- сигнала, устраняющий паразитные боковые выбросы АКФ сигнала при частотной режекции спектра.

2. Алгоритмы обработки ШПС, устраняющие деформацию дис-кримин.чционной характеристики и восстанавливающие когерентность иыделенной несущей частоты.

3. Обобщенный алгоритм оптимального многоканального обнаружения."

4. Устройство сегментарной согласованной фильтрации ШПС.

5. Результаты анализа показателе й качества разработанных алгоритмов обнаружения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ВНИИС (Воронеж, 1989, 1992) и Всероссийской научно-технической конференции (Воронеж, 1995). •

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 статей и 5 изобретений.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит список литературы из 129 наименований. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, в котором приведено 88 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ »

Во введелш! обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения и результаты, выносимые па защиту.

В первой главе рассматриваются методы и алгоритмы обработки ШПС в каналах с многолучевым распространением. Проводится обзор экспериментальных исследований и математических моделей многолучевого распространения радиоволн о УКВ диапазоне для линии связи с подвижными объектами, перемещающимися ц условиях высокоэтажной городской застройки, а также холмистой и горной местности. Сигнал на выходе антенны подвижного объекта может быть представлен о виде суммы сигналов со случайными значениями доп-плеровского сдвига яастоты, времени задержки, амплитуды и фазы.

Канал многолучевого распространения представляется в виде линейного трансиерсального фильтра с нестационарной во времени импульсной характеристикой (ИХ).

Для большинства реальных каналов связи времена задержки распространения лучей находятся в интервале от 0 до 5*8 мке, и отдельных случаях - до 20 мкс.

Оптимальный прием многолучевых сигналов осуществляется либо на основе эквалайзеров, когда отдельные лучи не могут быть разделены, либо на основе ИАКЕ-приемников, когда лучи разделяются, что справедливо для систем с большой шириной спектра сигналов Л{ > 1 МГц. Существуют различные варианты построения ИАКЕ-приемннков, однако наиболее часто используется взвешенное суммирование сигналов лучей, при котором отсчеты амплитуд сигналов с выхода согласованного фильтра умножаются на оценку ИХ канала лри одинаковых временных задержках.

В тех случаях, когда получекле достоверных оценок ИХ канала затруднительно, используется квазиоптимальное квадратическое суммирование отсчетов амплитуд лучей.

Показано, что при использовании 3-4 независимых каналов иЛКЕ-нриемника обеспечивается практически потенциальный выигрыш в помехоустойчивости приема и дальнейшее увеличение числа каналов вызывает неоправданное усложнение аппаратуры.

Далее проводится анализ работ, в которых рассматриваются особенности прохождения широкополосного сигнала через устройства защиты от узкополосных помех, осуществляющие частотную режекцию спектра сигнала. При этом АКФ сигнала искажается и в выходном сигнале согласованного фильтра появляются многочисленные боковые выбросы, величина амплитуды и временное местоположение которых определяются видом частотной режекции или характером виешней по-меховой обстановки.

Длительность интервала временного местоположения боковых выбросов автокорреляционной функции сигнала составляет от 5 до 12 мке при 6- или 16-канальном блоке защиты и ширине полосы сигнала 1,2 МГц, что практически совпадает с временным интервалом задержки многолучевого сигнала. При этом возникает эффект маскировки более слабых независимых канальных лучей сильными боковыми выбросами от основного отклика.

При ограниченном числе каналов ЯАКЕ-приемник производит суммирование основного наиболее сильного луча и 2-3 сопутствующих ему боковых выбросов, а независимые канальные лучи исключаются из процесса обработки, что приводит к снижению помехоустойчивости приема.

Основная задача работу заключается в исследовании и разработке методов обработки широкополосных сигналов в условиях частотной режекции их спектра, обеспечивающих полное подавление боксовых выбросов автокорреляционной функции сигнала, возможность выделения независимых лучей с целью оптимальной их обработки.

Во второй главе решается задача исследования методов устранения влияния частотной режекции спектра на АКФ сигнала и подавления боковых выбросов АКФ. Рассматривается модель блока защиты (БЗ) от узкополосных помех в виде N параллельно включенных полосовых фильтров, модули коэффициентов передачи которых равны 0 в области частот режекции £1Р и 1 в области частот пропускания О п .

Спектр выходного сигнала блока защиты Sa (jco) может быть представлен в виде разности спектров входного сигнала S(jo>) и спектра фиктивного искажающего сигнала SHCK (jo).

В этом случае можно показать, что АКФ сигнала на выходе блока защиты будет выражаться в виде разности АКФ неискаженного сигнала р(т) и АКФ искажающего сигнала р,„ к(х). Любое исключение из спектра входного сигнала произвольной части спектральных составляющих приводит к искажению АКФ выходного сигнала. Из теории преобразования Фурье известно, что наличие как разрывов 1-го рода, так и 5-образных компонент в спектрах сигналов вызывает появление периодических синусоидальных составляющих АКФ, которые представляют собой боковые выбросы.

Поскольку непериодические процессы с гладкими и унимодать-ными огибающими спектров обладают одновершинными и монотонно убывающими огибающими АКФ, то можно обосновать метод минимизации боковых выбросов АКФ за счет такого сдвига частот спектральных компонент режектированного сигнала в областях пропускания Q п , при котором область режекции flP полностью исключается, и огибающая спектра сигнала приобретает квазигладкий и унимодальный характер.

Возможны два различных метода коррекции - расширение и сжатие спектра сигнала. Более экономичным с вычислительной точки зрения является метод сжатия спектра. Смещение частот спектральных компонент осуществляется в блоке преобразования спектра (БПС), включенном после БЗ и перед устройством оптимальной обработки. Величина смещения частот для каждого i-канала блока защиты определяется по формуле

®ем = ®ф|у-i-[n - k(i)] }, i = i,N;ksN, (i)

где w ф - ширина полосы канального фильтра;к(0 - номер нережек-тированной полосы; п - параметр сдвига, п » ——.

Аналогичное частотное преобразование осуществляется для спектра опорного сигнала при корреляционной обработке или для частотной характеристики согласованного фильтра.

Проведенные расчеты огибающей АКФ сигналов с различными видами частотной режекцип показывают, что сжатие спектра перед оптимальной обработкой обеспечивает подавление боковых лепестков АКФ а среднем на 15-20 дБ."

При режекпии спектра сигнала возникают также искажения дискриминационной характеристики (ДХ) системы слежения за временной задержкой ШПС. ДХ систс. .ы слежения с опережающим и отстающим по времени опорным сигналом связана с огибающей АКФ уравгением в конечных разностях и имеет многочисленные зоны локальной устойчивости с положительной крутизной, соответствующие боковым выбросам АКФ.

Показано, что при сжатии спектра сигнала ДХ приобретает почти идеальный вид с единственным Б-образным участком с положительной крутизной.

Рсжекция спектра сигнала приводит также к появлению фазо-пой и амплитудной модуляции восстановленной несущей частоты. Проведенные расчеты эмпирических плотностей распределения параметров несущей для типичных ситуаций частотной режекпии показывают, что начальная фаза несущей частоты оказывается распределенной на интервале от -к до п, что свидетельствует о разрушении когерентности несущей.

Сжатие режектированного спектра входного сигнала и аналогичное преобразование спектра опорного сигнала позволяют восстановить когерентность несущей частоты. Показано, что спектр восстановленной несущей, определяемый интегралом свертки преобразованных спектров входного и опорного сигналов, не изменяется при совместном частотном смещении отдельных спектральных компонент входного и опорного сигнала. При этом отуошение сигнал/помеха на выходе устройства оптимальной обработки не ухудшается.

. Рассмотрены особенности спектральной обработки компонент многолучевого сигнала с различным временем задержки. Показано, что •.-центры* компонент многолучевого сигнала отличаются наличием линейной составляющей фазочастотной характеристики'спектра (ФЧХС) ехр^шч,), зависящей от времени задержки I,. При совместном час-ютпом смещении спектральных компонент ФЧХС сигнала со сжатым спектром становится линейно-разрывной, и возникнет фазовая ошибка ФЧХС, зависящая от времени задержки и вида частотной режекпии.

Проведены расчеты взанмоЛорреляционной функции (ВКФ) входною многолучевого режектированного сигнала с преобразниамным

спектром н одиночного опорного сигнала для различных видов частотной режскшш и времени задержки компонент многолучевою 111ПС, н результате которых показано, что появление фазовой ошибки ФЧХС приводит к уменьшению амплитуды откликов задержанных канальных лучей в среднем на 10-20 % от их максимального значения в диапазоне реальных значений времени задержки до 10 мкс.'

В третьей главе рассматривается задача синтеза структуры оптимального многоканального обнаружителя сигналов. Поскольку на начальном этапе вхождения в связь получение достоверных оценок ИХ канала невозможно, то обнаружение приходится осуществлять в условиях неопределенности относительно временного местоположении сш-нала и вероятности его появления.

Рассматривается обобщенный критерий оптимальности в векторной форме, учитывающий разнородные требования к вероятностям пропуска Р № , ложного Р 1Т и ошибочного обнаружения Р Е :

Р - т 'п Р (у ) '

г ПР - • 1 ПР \ I I ,

У

Р ЛТ (У ) "г Р ^ О , ( 2 )

р « ( У ) - р Е = О ,

где у = у^^/ х) - решающая функция; с^ - решение о наличии ¿-го сигнала; х - сигнальная выборка; И , Р * - ограничения на допустимые значения вероятностей ложного и ошибочного обнаружении.

Выражения для Р пр (ц ), РЕ (т )и Р (у ) определяются через решающую функцию у, а также плотности вероятностей распределения сигнальных выборок и параметров сигнала.

Формируется обобщенный скалярный функционал качества путем взвешенного суммирования компонент векторного критерия (2) с использованием неопределенных множителей Лагракжа. Требование минимизации обобщенного ф; ¡лшонала приводит к следующему условию обнаружения:

м

где - Л

у - отношения правдоподобия для наблюдаемых сигнальных выборок; ^-Е'^о " неопределенные множнтели.

Синтезированное приемно-решагощее устройство содержи: М каналов вычисления отношении правдоподобия, блок суммир^! лнил

отношений правдоподобия и выбора максимума, блок взвешенного суммирования и сравнения с порогом.

Представленная структура многоканального обнаружителя является обобщенной, из которой, как частные случаи, могут быть получены ранее известные многоканальные обнаружители сигнала в точке и на интервале. Синтезированная структура многоканального обнаружителя позволяет оптимальным образом учитывать разнородные требования к вероятностям пропуска Р „ , ошибки Р Е и ложного обнаружения И путем изменения значений множителя X Е , что фактически приводит к изменению структуры модифицированной статистики обнаружения (3) и, соответственно, значений Р № и Р Е .

Рассмотрены субоптимальные структуры многоканальных корреляционных обнаружителей с блоком формирования зоны максимума и выборочным суммированием нелинейно преобразованных корреляционных отсчетов. Проанализированы характеристики обнаружения сигналов для синтезированного и субоптимальных обнаружителей, полученные имитационным моделированием. Определены условия, при которых достигается выигрыш в помехоустойчивосчи; в частности, показано, что наименьшая вероятность пропуска Р „> достигается для статистики (2) при =. О ,-а при Хе = 1 - минимум суммарной вероятности Р „, и Р Е . Проанализированы методы формирования порогов обнаружения с использованием оптимальной оценки выборочной дисперсии и двух субоптимальных оценок: выборочного среднего модулей амплитуд и квантиля эмпирической функции распределения модулей амплитуд.

Проведено сравнение их эффективности с учетом вычислительной сложности. Показано, что при числе отсчетов, превышающем 50-100, энергетический проигрыш обнаружения при субоптимальных методах формирования порогов становится менее 0,5-0,4 дБ.

В четвертой главе приводятся результаты разработки устройства приема широкополосных многолучевых сигналов на основе укороченного согласованного фильтра. Для обрабптки многолучевого сигнала необходима либо группа одновременно работающих корреляторов, либо согласованный фильтр. Предложенное устройство разработано па основе согласованного фильтра, обрабатывающего сегмент сигнала; импульсная характеристика фильтра (ИХФ) перестраивается скачкообразно во времени с интервалом, равным длительности обрабатываемого сегмента сигнала Тс / п.

Устройство отличается от согласованного фильтра существенно меньшим объемом вычислений и может быть легко реализовано с применением процессоров ЦОС и специализированных БИС. Структурная

и

схема устройства, приведенная на рисунке, содержит линию задержки, генератор опорного сигнала, блок накопления отсчетов ИХФ, блок формирования и перестройки ИХФ, сумматоры и рециркуляционный накопитель.

Устройстьо сочетает □ себе свойства согласованного фильтра и коррелятора, при изменении длины линии задержки фильтра и репир-кулятора оно может плавно превращаться либо в коррелятор, либо в согласованный фильтр.

Использование блоков ¡ ¿образования спектра входного и опорного сигналов, подключенных ко входу устройства и к выводу генератора опорного сигнала, позволяет устранить боковые выбросы от' основного максимального сигнала в условием частотной режекцин и выделить канальные независимые лучи.

Длительность сегмента сигнала Тс/п должна быть в 2-3 раза больше максимального времени задержки многолучевого распространения t3 max с целью осуществления фильтрации всего профчля многолучевого сигнала при допустимой расстройке синхронизации устройства. Отсчеты амплитуд многолучевого сигнала усредняются в дополнительном рециркуляционном накопителе с целью формирования

оценки ИХ канала. Отсчеты многолуевого сигнала умножаются на оценку ИХ канала и интегрируются, далее осуществляется сравнение с порогом. На временном интервале обнаружения, равном длительности сигнала Тс, в дополнительный рециркулятор оудет записана, оценка ИХ канала, тождественно равная отсчетам .амплитуд многолучевого сигнала. По мере увеличения временного'интервала накопления оценка ИХ канала уточняется за счет накапливающего скользящего суммирования отсчетов амплитуд многолучевого сигнала. Выбором коэффициента ослабления в цепи обратной связи рециркулятора можно регулировать длительность временного интервала оценивания ИХ в соответствии с интервалом квазистационарности характеристик многолучевого канала.

Определен выигрыш в помехоустойчивости обнаружения многолучевых сигналов для энергетически наихудшего случая квадратиче-ского суммирования, когда в качестве оценки ИХ канала используется профиль отклика многолучевого сигнала на интервале Тс при использовании частотного преобразования спектров. Рассмотрена модель трехлучевого канала с медленными независимыми релеевскими замираниями сигналов в каждом из лучей. При использовании метода сжатия спектра режектированного ШПС становится возможным выделение независимых канальных лучей с различным временем задержки; в этом случае статистика обнаружения равна сумме квадратов отсчетов амплитуд независимо флюктуирующих сигналов. При отсутствии спектрального преобразования режектированного ШПС более слабые канальные лучи будут подавлены боковыми выбросами основного, наиболее сильного луча. Статистика обнаружения определяется суммой квадратов отсчетов амплитуд основного луча и двух сильно коррелированных с ним боковых выбросов, г.с. фактически будет осущсст- • вляться автовыбор одного наиболее сильного луча. Этот подход является обоснованным и для случая использования 3 канального корреляционного обнаружителя в системе с ИАКЕ-приемником. Получены аналитические выражении распределения статистики обнаружения, равной сумме квадратов амплитуд сигналов с разными Дисперсиями и статистики максимума из совокупности амплитуд трех лучей. В первом случае плотность распределения статистики обнаружения выражается через взвешенную сумму %2-распределений с 2 степенями свободы с разной дисперсией, а во втором - через распределение максимальной порядковой статистики из совокупности 3 рслеейских распределений. Получены выражения для вероятностей пропуска сигнала Р „Р в зависимости от среднего отношения сигнал/помеха для каждого из трех лучей и заданного уровня вероятности ложного обнаружения Р . Проведенные на ЭВМ расчеты вероятностей пропуска Р .много-

лучевого сигнала для двух статистик обнаружения, представленные графически в виде параметрического семейства кривых, покалывают, что энергетический выигрыш трехканального обнаружителя с нсполь-* зованием блока преобразования режектированного ШПС составляет от 2 до 3 дБ для различных Р лт и энергетических параметров лучей. С целью подтверждения теоретических результатов разработана математическая'модель устройства и отдельных его фрагментов на языке МАТЬАВ и проведено имитационное моделирование на ЭВМ, в результате сравнения подтверждена достоверность выводов, что пелнчина энергетического выигрыша составляет более 2 дБ в зависимости от конкретных статистических характеристик сигнала и помех.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные научно-технические результаты работы состоят в следующем:

1. Разработан метод устранения отрицательного влияния частотной режекции спектра ШПС на искажения АКФ, проявляющиеся в симметричных боковых выбросах значительной амплитуды. Сущность метода заключается в восстановлении квазигладкого и унимодального характера огибающей спектрл принимаемого сигнала и аналогичной коррекции спектра опорного сигнала или импульсной характеристики согласованного фильтра за счет частотного смещения нережектироиан-ных полос ШПС и их сопряжения с целЬю исключения частотных интервалов с провалами огибающей спектра сигнала. АКФ сигнала с преобразованным спектром имеет один центральный сигнальный.пик и подавленные более чем на 15-20 дБ боковые паразитные выбросы.

Получено выражение для величины частотною смещения н зависимости от местоположения нережектиро ванной частотной полосы п количества соседних режектир' щных полос.

2. Рассмотрены дискриминационные характеристики с использованием преобразователей спектра в канале принимаемого и опорного сигнала. Показано, что дискриминационные характеристики имеют оптимальный Б-образный вид с одиночным центральным участком с положительной крутизной.

3. Рассчитаны статистические характеристики текущей фазы и амплитуды восстановленной несущей при частотной режекции спектра опорного сигнала и совместном смещении нережектированных участков спектра входного и опорного сигналов. Показано, что при этом фаза восстановленной несущей имеет 5-обр;\шое распределен 1к м чг<>

фактически происходит восстановление когерентности несущей частоты.

4. Получено доказательство, что когерентность несущей частоты сохраняется для любых значений частотных слещений нережектиро-ванных участков спектра входного и опорного си: нала. Использование метода сжатий спектра позволяе! устранить боковые выбросы автокорреляционной функции, восстановить идеальный вид дискриминационной характеристики и когерентность несущей частоты, в результате чего становится возможным разделение многолучевых сигнальных компонент и использование классических способов оценивания импульсной характеристики канала, а также алгоритмов обработки сигналов на основе КАКЕ-приемников.

5. Проведен анализ взаимокорреляционной функции многолучевого ШПС и опорного сигнала при сжатии спектров. Показано, что фазовая ошибка линейной составляющей фазочастотной характеристики спектр., многолучевой компоненты, зависящая от времени задержки, приводит к незначительному (на 10-20 %) снижению амплитуды задержанного луча.

6. Предложен обобщенный критерий оптимальности многоканальной системы обнаружения сигналов, минимизирующий вероятность пропуска и учитывающий разнородные требования к вероятностям ошибочного и ложного обнаружений.

На основе обобщенного критерия оптимальности синтезирована структура модифицированного многоканального обнаружения сигналов, из которой, как частные случаи, могут быть получены структуры известных ранее многоканальных обнаружителей. Проведены расчеты статистических характеристик модифицированного обнаружителя и показано, что может быть достигнут энергетический выигрыш 1,5-2 дБ.

Разработаны субоптимальные устройства многоканального обнаружения с использованием выборочного суммирования нелинейно преобразованных сигналов, при котором упрощается реализация и снижаются требования к разрядности представления чисел при цифровой обработке.

Исследованы характеристики алгоритмов формирования пороговых уровней в многоканальных обнаружителях, обеспечивающих минимум вероятности пропуска и стабильность вероятности ложного обнаружения при неизвестной мощности помехи и минимальной вычислительной сложности.

7. Разработано устройство обработки ШПС на основе укороченного сегментарно согласованного фильтра с перестраиваемой ИХ, по слоим структурным и функциональным свойствам занимающее промежуточное положение между коррелятором и согласованным фильтром.

Устройство отличается небольшими вычислительными затратами при реализации на процессорах ЦОС.

8. Разработано устройство обработки многолучевых широкополосных сигналов на базе перестраиваемого укороченного согласованного фильтра, содержащее блоки преобразования режсктиропанных спектров входного и опорного сигналов. Устройство осуществляет выделение отдельных лучей общего многолучевого сигнала с частотной режекцией спектра, оценивание импульсной характеристики многолучевого канала и оптимальное суммирование энергии лучей. Проведены аналитические расчеты энергетического выигрыша обнаружения при использовании сжатия спектра сигналов.

Разработана имитационная математическая модель с целью сравнения теоретических и экспериментальных результатов. Показано, что выигрыш в помехоустойчивости обнаружения при использовании спектрального преобразования режектированного ШПС в многолучевых каналах составляет более 2 дБ.

. Основное содержание диссертации изложено п следующих работах:

1. A.c. 915242 СССР, МКИ3 Н04В1/10. Устройство поиска шумоподобных сигналов/ В.М.Зинчук, Н.И.Щукин, В.И.Борисов.-(СССР). - 5 с.:нл.

2. А.с.978377 СССР, МКИ3 H04L7/04. Устройство поиска шумоподобных сигналов/ В.М.Зинчук, Н.И.Щукин, А.В.Гармонои, С.Ю.Якименко.- (СССР). - 7 с.:ил.

3. A.c. 1626428 СССР, МКИ3 H04L7/04. Дискриминатор для синхронизации по задержке псевдослучайного сигнала/ В.И.Журавлев, Н.И.Щукин, М.И.Другов, А.И.С'ергиенко. - (СССР).

- 3 с.гил.

4. A.c. 1716614 СССР, i vH3 H04L7/04. Устройство слежения за задержкой псевдослучайного сигнала/ М.1т Другое, А.И.Сергиенко, Н.И.Щукин, В.И.Журавлев, В.М.Тарасов. - (СССР).

- 4 с.:ил.

5. A.c. 1807775 СССР, МКИ3 G01S7/29. Адаптивный непараметрический обнаружитель сигналов/ В.М.Зинчук, Ю.Г.Сосулнн, Н.А.Рудиков, Н.И.Щукин, В.И.Журавлев.- (СССР). - 7 с.:ил.

6. Зинчук В.М., Щукин Н.И. Синтез подобного алгоритма многоальтернативного обнаружителя при наличии мешающих параметров и неизвестных вероятностях появления обнаруживаемых енгнамв, , Техника средств связи. Сер. ТРС. - 1981. - Вып.7.-С.54-71.

7. Зинчук В.М., Щукуи Н.И. Синтез оптимального алгоритма многоальтернативного обнаружения при неизвестных вероятностях появления обнаруживаемых сигналов// Изв. вузов МВ И ССО СССР.. Сер. Радиоэлектроника. - 1984. - Т.27. - N4. - iicn.N5256-83.-C.P6. '

8. Зинчук В.М.,• Щукин Н.И. Многоальтс рнативное обнаружение при наличии мешающих параметров и неизвестных вероятностях появления обнаруживаемых сигналов//* Изв. вузов МВ и ССО СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1984.- Т.27,- Ж.-Деп. N5257-83,-С.96.

9. Зинчук В.М., Щукин Н.И. Синтез алгоритмов многоальтернативного обнаружения при ^известных вероятностях появления обнаруживаемых сигналов// XVIII отрасл. науч.-техн. конф.: Тез. докл. - Воронеж, 1992. - С.11-12.

10/ Адаптивный непараметрический обнаружитель / В.М.Зинчук, Н.И.Щукин, Ю.Г.Сосулин и др. // XVIII отрасд. науч.-техн. оиф.:Тез. докл. - Воронеж, 1989.- С.39.

' 11. Щукин Н.И. Устранение влияния блока защиты на выходной сигнал оптимального фильтра// Теория и тсника радиосвязи.-1995.-Вып.1.-С.102-110.

12. Щукин Н.И., Савинков А.Ю. Оптимизация временного дискриминатора широкополосного сигнала при частотной режекции спектра// Теория и техника радиосвязи.- 1995.- Вып.1.-С.111-116.

13. Щукин Н.И., Савинков А.Ю. Оптимизация выделения несущей в широкополосных системах с частотной режекцией спектра сигнала//Теория и техника радиосвязи.- 1995.-Вып.2. - С. 75-82.

14. Щукин Н.И. Устранение влияния режекции узконолосных помех на выходной сигнал согласованного фильтра// Теория и техника радиосвязи: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. "Направления развития систем и средств радиосвязи". Воронеж: ВНИИС, 1995.-Вып.1.-С.136.

15. Щукин Н.И. Обнаружение и поиск широкополосных сигналов с помощью перестраиваемых согласованных фильтров// Теория и техника радиосвязи: Тез. докл. Всерос. науч:-техн. конф. "Направления развития систем и средств радиосвязи". Воронеж:

ЛР №020419 от 12.02.92. Подписано к печати 23.04.96. Усл. псч. л. 1,0. Тираж Д00 зкз. Заказ № V■ Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14 Участок оперативной полиграфии

Воронежского государственного технического университета

ВНИИС, 1995.- Вып. 1.-С. 136.