автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка способов формирования и приёма M-ичных стохастических многочастотных сигналов

На правах рукописи

Каменецкий Борис Семёнович

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЁМА М-ИЧНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ

05.12.04-Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 б МАЙ 2013

005058830

Санкт-Петербург - 2013

005058830

Работа выполнена в Федерсльном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Чесноков Михаил Николаевич

Официальные оппоненты: Коржик Валерий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГ'ОБУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», профессор кафедры «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»

Наукович Анатолий Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, НПФ «Энергия» ОАО «Завод «Энергия», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие «Новые Технологии Телекоммуникаций», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 28 мая 2013 в 14.00 года на заседании диссертационного совета Д 219.004.01 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича».

Автореферат разослан 26 апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

В.В. Сергеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время возродился интерес специалистов к системам связи, использующим для передачи информации широкополосные сигналы. В то же время, уже в позапрошлом десятилетии наметилась тенденция к конвергенции технологии ортогонального частотного разделения с мультиплексированием (англ. OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing) и технологии кодового разделения с множественным доступом (англ. CDMA - Code Division Multiple Access). Всё это подтверждается большим числом современных отечественных и зарубежных источников по соответствующей тематике.

Несмотря на активное развитие архитектуры существующих систем связи, используемых в них методов кодирования, перемежения и синхронизации, зачастую информация передаётся с помощью сигналов, обладающих детерминированной структурой, таких, как функции Уолша. Это обуславливает лёгкость обнаружения структуры передаваемого сигнала, постановки имитационных помех и перехвата важной информации.

Таким образом, при сохранении существующих тенденций требуется искать новые способы формирования сигналов, которые бы обладали повышенной структурной скрытностью и обеспечивали бы системам связи различного назначения повышенную помехозащищённость, а также разрабатывать способы приёма таких сигналов.

Степень разработанности исследуемой темы. Проблемам формирования и приёма сложных, в том числе, стохастических сигналов посвящены работы Р. Р. Биккенина, JI. Е. Варакина, В. П. Платова, В. И. Коржика, Ю. Б. Окунева, Г. И. Тузова, М. Хаслера и многих других учёных.

Предложения по формированию сигналов, обладающих повышенной структурной скрытностью и устойчивостью к оптимизированным помехам, были сделаны такими исследователями, как С. Атвэл, Дж. Дайер, П. Карабинис, Б. Натараджан, М. Н. Чесноков.

Способы приёма сложных, в том числе, стохастических широкополосных сигналов на основе аппарата оптимальной нелинейной фильтрации марковских процессов разрабатывались в работах Н. К. Кульмана, А. И. Перова, И. В. Тихонова, В. Н. Харисова, В. А. Чердынцева и других.

Однако многие вопросы, связанные с формированием и обработкой такого рода сигналов остались недостаточно изученными. Речь идёт, в том числе, о разработке способов формирования и близких к оптимальным способов приёма ортогональных М-ичпых стохастических широкополосных сигналов, обладающих повышенной структурной скрытностью и устойчивостью к оптимизированным помехам.

Объектом исследования являются А/-ичные стохастические многочастотные параллельно-последовательные широкополосные сигналы (СМПШПС).

Предмет исследования — способы формировании и приёма А/-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов.

Целью работы является разработка способов формирования и приёма М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе предлагаются решения следующих частных задач:

1. Исследование существующих способов формирования и приёма СМПШПС, определение основных тенденций в этой области.

2. Разработка способов формирования СМПШПС.

3. Анализ свойств СМПШПС.

4. Разработка способов приёма СМПШПС.

5. Разработка практических рекомендаций по применению СМПШПС.

Научная новизна присутствует в следующих результатах работы:

1. Разработано два способа формирования ансамблей ортогональных в усиленном смысле (в том числе, ортогональных в обычном смысле) Л/-ичных стохастических

многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов, обладающих большей структурной скрытностью и большей устойчивостью к оптимизированным помехам по сравнению с известными сигналами.

2. Исследованы свойства полученных сигналов: автокорреляционные функции, пик-фактор. Также произведено сравнение структурной скрытности СМППШС, сформированных с помощью процедуры ортогонализации Грама-Шмидта и сигналов с модуляцией МОК (М-ичное ортогональное кодирование) на основе современного метода обнаружения сигналов с использованием функции спектральной корреляции, демонстрирующее, что СМПШПС обладают повышенной структурной скрытностью по сравнению с относительно широко используемыми сигналами с модуляцией МОК с функциями Уолша в качестве опорных кодовых последовательностей. С помощью методов имитационного моделирования получены кривые помехоустойчивости для системы передачи информации с ортогональными СМПШПС для случаев канала с замираниями и без замираний.

3. На основе аппарата нелинейной марковской фильтрации в дискретном времени разработано два способа квазикогерентного приёма ортогональных СМПШПС — синтезировано два многофункциональных алгоритма демодуляции и синхронизации СМПШПС, учитывающих воздействие комплекса импульсных, сосредоточенных и флуктуационных помех.

4. Произведено сравнение эффективности применения сформированных ортогональных СМПШПС и сигналов с модуляцией ФМ-2 для целей зондирования коротковолнового (КВ) канала и передачи служебной информации, результаты которого показывают, что СМПШПС обеспечивают показатели, сопоставимые с показателями, которые возможно получить при применении традиционных сигналов при большей степени структурной скрытности.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Предложенный в работе способ формирования ансамблей ортогональных в усиленном смысле (в том числе, ортогональных в обычном смысле) СМПШПС позволяет формировать сигналы, обладающие повышенной структурной скрытностью и помехозащищённостью, которые могут бьггь использованы в корпоративных системах связи, системах связи специального назначения, системах военной связи.

2. Система передачи информации на основе синтезированного в диссертации многофункционального алгоритма демодуляции и синхронизации ортогональных СМПШПС, работоспособность которой подтверждена путём имитационного моделирования, может быть реализована на современных вычислительных платформах и использована для оценки состояния КВ канала и передачи служебной информации по КВ каналу.

3. Макет системы передачи информации с ортогональными в усиленном смысле СМПШПС, сформированными с помощью обобщённого алгоритма Витерби, доказывает работоспособность соответствующей системы и её реализуемость на основе современной вычислительной платформы (программируемая логическая интегральная схема Уи1ех П, процессор ТМ5320С64161). Предложенная система передачи информации может быть применена с необходимыми модификациями в помехозащищённых системах связи с множественным доступом, например, во внутрикорпоративных системах связи, системах сотовой связи, системах связи специального назначения и системах военной связи.

Методология и методы исследования. В ходе исследований применялись методы линейной алгебры, статистической теории связи, нелинейной марковской фильтрации, теории потенциальной помехоустойчивости, теории вероятности, теории спектрального корреляционного обнаружения сигналов, компьютерного имитационного моделирования, динамического программирования. При моделировании и разработке программ использовались языки программирования С++, МаЙаЬ, Уеп1о§.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Способ формирования ортогональных в усиленном смысле Л/-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов, позволяющий

получить ансамбли сигналов, обладающих большей структурной скрытностью и большей устойчивостью к оптимизированным помехам по сравнению с известными сигналами.

2. Результаты анализа характеристик помехоустойчивости, скрытности, корреляционных свойств и пик-фактора ортогональных А/-ичных стохастических мпогочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов.

3. Способы приёма ортогональных Л/-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов, разработанные на основе аппарата нелинейной марковской фильтрации в дискретном времени с учётом воздействия комплекса импульсных, сосредоточенных и флуктуационных помех, обеспечивающие возможность работы системы передачи информации в условиях замираний, многолучевое™ и сложной помеховой обстановки.

4. Предложения но реализации радиосистем с ортогональными AS-ичными стохастическими многочастотнымн параллельно-последовательными широкополосными сигналами.

Достоверность результатов подтверждается применением строгого математического аппарата, отсутствием противоречия результатов диссертационной работы и сделанных на их основании выводов известным научным данным, результатами моделирования в среде Simulink пакета программ Matlab, а также экспериментом, проведенным с использованием современной аппаратной платформы.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований внедрены в ООО Научно-производственное предприятие «Новые Технологии Телекоммуникаций» при разработке помехозащищёнпой радиосистемы передачи информации с множественным доступом, а также в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» при разработке антенных согласующих устройств KB диапазона дня передачи данных в перспективных комплексах связи военно-морского флота, что подтверждено справками о внедрении.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на 61-й, 62-й, 63-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ, на I Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании», на X Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», а также на V Международном научном конгрессе «Нсйробиотслеком-2012».

Публикации. На тему диссертации опубликовано 13 печатных работ, 3 из которых в журналах, включённых в перечень ВАК РФ.

Объём и структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 118 наименований. Работа содержит 199 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновала актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель и задачи исследований, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 рассматриваются существующие способы формирования и приёма Л/-ичных стохастических широкополосных сигналов (ШПС). Выделены основные результаты проведенного анализа литературы и патентного обзора: обоснована актуальность разработай новых или улучшенных систем передачи информации с использованием ШПС, продемонстрированы направления проводимых исследований в области формирования и приёма шумоиодобных сигналов, перспективность комбинирования технологий CDMA и OFDM. Также говорится о причине перехода к М-ичным ШПС.

Описываются модели каналов, соответствующих возможным областям применения новых Ящичных стохастических ШПС, учитывающие аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ), замирания, многолучёвость и комплекс импульсных и сосредоточенных помех. В качестве результатов главы 1 производится постановка научной задачи. Глава 2 содержит описание способов формирования ортогональных СМПШПС. Пусть к-й вариант СМПШПС возможно записать в следующем виде: .<*)»/ _ _

:=1 у=1

где г - номер частотной составляющей в сигнале; т - количество частотных составляющих; у- номер субэлемента сигнала; I - количество временных субэлементов сигнала Т

длительностью /и = у; Т - длительность сигнала; g{t — {j~ ')'„] — срезающая функция, определяемая соотношением:

*['-и- 1к]={1приа-,к;"л' (2)

[0 при других /;

Рз*' - квадратурные составляющие СМПШПС; со, - частота /'-й поднесущей. Сигнал (1) имеет двумерную, матричную структуру и состоит из набора т поднесущих, причём квадратурные составляющие этих поднесущих р'*', р'^' зависят от номера субэлемента у. Этот сигнал можно рассматривать как многочастотный сигнал с квадратурной модуляцией хаотическим или псевдослучайным аналоговым сигналом.

Ансамбль М ортогональных в усиленном смысле сигналов вида (1) возможно получить посредством использования процедуры ортогонализации Грама-Шмидта:

5

. (4+1) . (А+1) к

.(О

(3)

• <*+1) .(Г) . М .»+0

где 50 — сигнал, ортогональный к 5 , к = I,..., А/; 5 и 5 — исходные комплексные аналитические сигналы.

С учётом структуры сигналов выражение (3) можно переписать так:

/ т ( .(4+1) . С)^

.(А+1) .(*+1)

ои — 5 /7

.<о

XI

/-1 /-1

(0 = р,^' совы/- р^' зта^ + л/^р^' Бта/ + созсо/,

.(о ( .(') .('•)

— у ,

(4)

(5)

(6)

Комплексные коэффициенты Фурье для г-й частоты и у-го временного субэлемента к-го сигнала выражаются следующим образом:

. (») ,_

р¥ (7)

Введём обозначения

/.^рГХ'+РГН', (8)

^ = рГК-РГК- (9)

Пользуясь выражениями (4)-(9) и не приводя ряд промежуточных математических операций, возможно получить, что

.(1+1)

Отсюда следует, что

рГ-

рГ"1

М »=1_М 1=1

,=|

Г+Ш]

рЯП'ч+РХ'И'»

¿Ё[(р!;')2+Ш2

у=1 ¡=1 1-

(10)

(соз(ю(0 + /Л зт(ш,/))-

5* Оу :

".1, глПр<12;'>)(со8(ш, О + лПзтСш, о). (11)

Итоговые выражения для квадратурных составляющих СМПШПС, ортогональных в усиленном смысле, приведены ниже.

РТ"

у=1 ,-1

рг=РГ-£

(12)

В частном случае, при вещественных сигналах 5,(" способ формирования СМПШПС сводится к уже известному из отечественных и зарубежных источников.

Описывается датчик исходной аналоговой псевдослучайной последовательности, выбранный для формирования СМПШПС.

Также во 2-й главе приведены принципы формирования ортогональных в усиленном смысле СМПШПС с использованием обобщённого алгоритма Витерби. Таким образом, алгоритм Витерби может использоваться не только для декодирования, но и для формирования ансамблей сигналов. Так при прохождении через решётку состояний свёрточного кодера выбирается оптимальная метрика или целевая функция, характеризующая соответствие формируемой последовательности (относительно набора исходных последовательностей) определённому критерию. В диссертационной работе в качестве критерия выбрана ортогональность формируемых сигналов.

Приводятся осциллограммы и графики нормированных автокорреляционных функций (АКФ) СМПШПС. При увеличении базы сигнала В=т1 величина максимума боковых лепестков и ширина главного лепестка АКФ уменьшаются.

Приводятся результаты исследования пик-фактора СМПШПС. СМПШПС являются параллельно-последовательными составными сигналами и значения пик-фактора у них достаточно велики. Следовательно, пик-фактор необходимо уменьшать. Это предлагается осуществить путём ограничения амплитуды сигнала с помощью введения коэффициента ограничения К :

Т = К,

^тах{\Б(к)(1)\}

<>Ф 2-1 К

Ы Л

где тах{\5<4)(^) |} - максимальное мгновенное значение к-го сигнала.

Осуществляется анализ структурной скрытности СМПШПС на основе современного метода обнаружения, использующего функцию спектральной корреляции (ФСК).

Комплексный случайный процесс х(0 является циклостационарным, если его АКФ периодична во времени и коэффициенты Фурье, с помощью которых она может быть представлена, не равны нулю для некоторой частоты цикла а , изменяющейся в диапазоне всех чисел, кратных фундаментальной частоте 1 /Т0. Для сигнала, содержащего в себе более одной фундаментальной частоты (х(() является почти циклостационарным) возможно получить обобщённое выражение для циклической АКФ.

Далее по циклической АКФ, используя выражение Винера-Хинчина для дискретного случая, вычисляют ФСК, которая применяется, в частности, для обнаружения сигналов и определения вида их модуляции.

Расчёты ФСК комплексных сигналов требуют большого объёма вычислений, поэтому в работе используется известное выражение, учитывающее только вещественную часть х(().

Трёхмерный график зависимости нормированного значения модуля ФСК от / и а позволяет обнаружить передаваемый по каналу связи сигнал и определить его характерные частоты: несущую частоту, частоту следования информационных символов и т. д.

На рисунке 1. а - в обычном, а на рисунке 1, б - в увеличенном масштабе) приведена зависимость модуля нормированной ФСК двоичной периодической псевдослучайной последовательности (частный случай М-ичной ортогональной модуляции — МОК) с числом субэлементов /=32 и длительностью одного субэлемента Т0 = 1/6000 = 0,167 мс от / и а . Число отсчётов сигнала во временной области для расчёта ФСК равно 2000. Ширина полосы сигнала — 12 кГц, несущая частота - 0 кГц, частота следования субэлементов - 6 кГц, частота следования информационных символов - 6000/32=187,5 Гц.

£ Гц о*

Рисунок 1 - Зависимость модуля нормированной ФСК периодического сигнала от/и а

Следует отметить, что максимумы модуля нормированной ФСК (рис. 1, область светло-голубого, жёлтого, оранжевого и красного цветов), образуют геометрические фигуры (рис. 1, а, сноски 1), узловыми и центральными точками которых (рис. 1,6, сноски 3) являются характерные для сигнала частоты и их комбинационные составляющие.

Так, например, из рисунка 1, а видно, что в четырёх точках, соответствующих частотам +1500 и 6000 ±1500 Гц находятся центры ромбовидных геометрических фигур, одна из которых в увеличенном масштабе представлена на рисунке 1, б. Эти фигуры, в свою очередь, являются узловыми точками большой ромбовидной фигуры с геометрическим центром (обозначен крестом), находящимся на частоте 6 кГц (сноска с индексом 2).

По рисунку 1 достаточно легко определить как частоту передачи информационных символов (рис. 1,6, сноска 4 - указывает на узловую точку ромбовидной геометрической фигуры, находящуюся на частоте 187,5 Гц), так и частоту следования субэлементов сигнала.

На рисунке 2 показана зависимость модуля нормированной ФСК белого гауссовского шума (БГШ) от/и а .

Щщж шШШшш. ¡¡¡шШШШШIШШ1У ~ 0 4

I0-3 ■

-¡-—такжжвиши'-,-

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

£Гц

Рисунок 2 - Зависимость модуля нормированной ФСК БГШ от/и а

На рисунке 3 показана зависимость модуля нормированной ФСК сигнала с модуляцией МОК (рис. 3, а) и СМПШПС (рис. 3, б) от/и а при отношении сигнал/шум, равном минус 5 дБ.

х 10*

-1000

-2000

-6000

Рисунок 3 - Зависимость модуля нормированной ФСК сигнала с модуляцией МОК (а)

и СМПШПС (б) от/и а

Тёмно-синие линии (окаймлённые белыми), пересекающиеся крест накрест на рисунке 3, а позволяют определить наличие характерных для сигнала с модуляцией МОК частот. На рисунке 3, б подобные линии отсутствуют.

На рисунке 4 приведено сравнение зависимостей вероятности обнаружения СМПШПС и сигнала с модуляцией МОК от отношения сигнал/шум для случаев использования энергетического детектора (ЭД) и детектора циклостационарности (ДЦ) при заданной вероятности ложной тревоги Рпт = 0,1. Число реализаций отрезков сигналов и аддитивного белого гауссовского шума (каждый отрезок соответствует по длительности интервалу 80 информационных посылок и составляет 2560 отсчётов) для вычисления ФСК равно 100.

Рисунок 4 - Зависимость вероятности обнаружения сигнала с модуляцией МОК и СМПШПС от отношения сигнал/шум ЭД и ДЦ при заданной вероятности ложной тревоги Р„= 0,1

Из рисунка 4 видно, что при энергетическом обнаружении СМПШПС и сигналы с модуляцией МОК (как и с любой другой) эквивалентны. Также из рисунка 4 можно увидеть, что при использовании ДЦ вероятность обнаружения для СМПШПС ниже, чем для сигнала с модуляцией МОК, то есть СМПШПС обладают более высокой структурной скрытностью.

В главе 3 рассматривается процедура синтеза двух многофункциональных алгоритмов демодуляции и синхронизации ортогональных СМПШПС на основе аппарата нелинейной марковской фильтрации в дискретном времени, приводятся и описываются их функциональные схемы.

Синтез сводится к выбору наименее благоприятной плотности распределений вероятности (НБПРВ) значений помех из класса приближённо нормальных распределений, подстановке НБПРВ в общие уравнения фильтрации оценок параметров сигнала и переходу к частному случаю соответствующих уравнений - решаемой задаче.

Ниже приведены основные выражения, описывающие работу одного из двух синтезированных алгоритмов, модель которого была построена в среде втиНпк пакета программ Ма11аЬ. При демодуляции обеспечивается подавление импульсных и усреднение флуктуационных помех. Также учитываются особенности канала связи, по которому передаётся информация (наличие/отсутствие замираний).

Принимаемая смесь в дискретные моменты времени 1к,к = 1,2,... задаётся следующим выражением:

Ж) = 5„ ) + Рш (Ч) + "<А), (14)

где ик,Хк,(Хк^ - прошедший через канал связи СМПШПС; Хк - векторная двумерная

марковская последовательность с непрерывным фазовым пространством; си - вектор параметров, принимающих значения «0» и «1», постоянных на длительности информационной посылки Т и изменяющихся в моменты времени / = пТ, где п = \1...,с/0, причём ¿4 - общее число передаваемых информационных посылок; РшЦк) - импульсная помеха; п(1к) - флуктуационная помеха, фактически являющаяся аддитивным белым гауссовским шумом;

{¡к~Хк,ак) = Л]|>ГХГ) (»*,**). (15)

Г=1

где А - амплитуда СМПШПС;

)=-г) - с/ - % - <К? М*) ■■

где т - задержка принимаемого сигнала после прохождения по каналу связи; ¡1 - номер текущей информационной посылки;

= (17)

где , Л^ - квадратурные составляющие коэффициента передачи канала связи, учитывающие вносимые в сигнал искажения; 5/, (/()-сопряжённое значение ^, (/*);

^гЧ'Л=РЙ,со8[(а)с+а»()(г1-т)+?>|] + р«яп[(тс+0)()(/4-т)+?»(], (18)

где юс - частота несущей; с,? - произвольная начальная фаза на / -й поднесущей СМПШПС.

С учётом заданного выражениями (15)—(18) прошедшего через канал связи СМПШПС и принимаемой смеси, описанной выражением (14), были получены соотношения для фильтрации квадратурных составляющих коэффициента передачи канала, а также параметра а .

>4»,,, = гХ2,а, +пК1ЛИ\X«; X - и - !)/„ - с!Т]

- кч-№+1){(Р-)2+«)2"

где — коэффициент сноса; г/ — коэффициент, введённый для устранения влияния импульсной помехи на работу алгоритма приёма, принимающий значения «О» и «1» в зависимости от значений разности у(ек)-Яп[^к,Хк,<Хк); Кх - коэффициент усиления или

кумулянт; Н = (сг2- дисперсия значений разности (/4,лг*,а*)); /Л , Г -

низкочастотные квадратурные составляющие прошедшего через канал связи сигнала, причём для СМПШПС из ансамбля с индексом г

^» = 0(20) >-2.(4+1) - предварительные оценки квадратурных составляющих СМПШПС на {к + \)-м отсчёте.

Таким образом, в соответствии с соотношениями (19), при воздействии импульсной помехи происходит временное отключение процедуры оценок параметров принимаемого сигнала.

Выражение для оценки параметра а можно представить в следующем виде: «и =«> +пКаАЯ -0-1У. ~<*Т]х

[/=1 у=1

где Ка - кумулянт.

На последнем отсчёте текущей информационной посылки следует осуществить округление значений параметра а :

|1,а* ж;

<= п : ' (22)

где па — номер отсчёта текущей информационной посылки, после которого начнётся следующая информационная посылка; к - произвольно заданный порог.

Решение об информационном символе, переданном на текущей информационной посылке, следует принимать в соответствии со следующим правилом.

в' = argmaxa„, , (23)

г 0

После отсчёта, на котором выносится решение о значении принятого информационного символа в, происходит сброс а'гЫ +1) =0,5 для всех г. Кроме того, для всех г а'г0 = 0,5.

Цикловая синхронизация осуществляется по одному из М передаваемых СМПШПС и реализована на основе широко известного алгоритма последовательного поиска по задержке. Тактовая синхронизация реализована в соответствии с широко известным методом «по двум полустробам» по одному или нескольким СМПШПС из ансамбля, состоящего из М сигналов.

В рамках синтеза алгоритма оценивания импульсной реакции KB канала рассматриваются различные современные методы определения задержки многолучевых компонент принимаемого сигнала (оценки профиля многолучёвости): на согласованных фильтрах, проекционные методы (например, MUSIC), на корреляторах. В качестве метода, применяемого в диссертационной работе, выбирается наиболее простой метод с использованием корреляторов, в котором процедура оценки профиля многолучёвости принимаемого сигнала совпадает с процедурой последовательного поиска по задержке при осуществлении цикловой синхронизации.

Корреляционные статистики при различных задержках v в соответствии с синтезированным алгоритмом определяются следующим образом:

J""(v) = X Ке{ж+|)S„ ,аt+,,v)j,v = 1,...,I, (24)

A-=1 * '

где

j-jiwxKO; (25)

Sn (/tll,jri.i,a(,i,v j - сопряжённые значения оценок принимаемого сигнала.

Вероятность правильной оценки профиля многолучёвости возможно повысить путём сложения корреляционных статистик (24) с двух (и более) разнесённых по пространству приёмных устройств (ПрУ).

Также в главе 3 приводится и описывается некогерентный демодулятор для системы передачи информации с ортогональными в усиленном смысле СМПШПС.

Работоспособность алгоритмов приёма, приведённых в 3-й главе, в следующей главе иллюстрируется графически.

В главе 4 приводятся характеристики помехоустойчивости системы передачи информации с использованием ортогональных в обычном и усиленном смысле СМПШПС.

Из-за некогерентного накопления в демодуляторе при увеличении числа поднесущих сигнала т для СМПШПС, ортогональных в усиленном смысле, происходит рост потерь. Это видно из рисунка 5.

Путём имитационного моделирования в среде Simulink пакета программ Matlab доказывается работоспособность синтезированного в 3-й главе многофункционального алгоритма демодуляции и синхронизации ортогональных СМПШПС для канала с постоянными параметрами и АБГШ, для канала с АБГШ и замираниями по законам Рэлея и

Райса, а также для канала с АБГШ и замираниями по закону Райса при наличии импульсных помех.

Рисунок 5 — Зависимость вероятности ошибки на бит от отношения сигнал/шум Рошб (/^ / Рш) при оптимальном некогерентном приёме ортогональных в усиленном смысле СМПШПС для канала с постоянными параметрами и АБГШ для различного числа поднесущих т

Демонстрируется выигрыш в помехоустойчивости при приёме по двум лучам (предусматривается разделение двух лучей на приёмной стороне со сложением их энергий по технологии EGC (англ. Equal Gain Combining — комбинирование с равным уровнем), а также сложение с накоплением статистик параметра а ) относительно приёма по одному лучу (рис. 6).

Также демонстрируется эффективность учёта борьбы с комплексом импульсных и флуктуационных помех в предложенном многофункциональном алгоритме демодуляции и синхронизации (рис. 7).

Рисунок 6 - Зависимость вероятности ошибки на бит от отношения энергии сигнала на бит к

спектральной плотности мощности шума Р1тГ, (Ел / Л'-Г|) при квазикогерентном приёме ортогональных СМПШПС для канала с райсовскими замираниями при различных значениях максимального доплеровского сдвига частоты /¡мах

Рисунок 7 - Зависимость вероятности ошибки на бит от отношения энергии сигнала на бит к спектральной плотности мощности шума Poí6 (Е6 / Л'0 ) при квазикогерентном приёме ортогональных СМПШПС для канала с райсовскими замираниями при максимальном доплеровском сдвиге частоты=1 Гц и задержке между лучами - 2,25 мс при различном числе отсчётов, поражённых импульсной помехой лоп

Также в 4-й главе исследуются характеристики помехоустойчивости системы передачи информации с использованием ортогональных в усиленном смысле СМПШПС, полученных с помощью обобщённого алгоритма Витерби. В систему дополнительно вводится кодирование с низкой плотностью проверок на чётность (англ. LDPC - Low Density Parity Check) в соответствии с алгоритмом Ричардсона-Урбанка.

В главе 5 приводятся рекомендации по практическому применению предложенных в работе ортогональных СМПШПС - два варианта реализации систем связи.

1-й вариант системы - система передачи информации с множественным доступом с СМПШПС, полученными на основе обобщённого алгоритма Витерби. Система реализуется на современной вычислительной платформе (программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) VirtexII, процессор TMS320C6416t).

Приводятся и описываются функциональные схемы эксперимента, передающей и приёмной частей системы передачи информации. Также приводится (рис. 8) экспериментально полученный график зависимости вероятности ошибки на бит от отношения сигнал/шум (обозначено как hl). При проведении эксперимента были использованы генератор сигналов Rigol DG 1021 и осциллограф Tektronix TDS 3034С.

Рисунок 8 - Экспериментально полученный график зависимости вероятности ошибки на бит от отношения сигнал/шум для системы передачи информации с ортогональными СМПШПС

2-й вариант системы - система наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) и передачи служебной информации (ПСИ) с СМПШПС, сформированными с помощью процедуры ортогонализации Грама-Шмидта. Перечисляются требования, предъявляемые к системе.

Приводится зависимость вероятности правильной оценки профиля многолучёвости от отношения сигнал/шум (ОС111) при различном числе многолучевых компонент в принимаемом сигнале (рис. 9). При проведении эксперимента для каждого из значений отношения сигнал/шум от минус 21 до 9 дБ производилось 500 запусков программы-модели

Рисунок 9 - Зависимость вероятности правильной оценки профиля многолучёвости принимаемого сигнала от отношения сигнал/шум при различном числе многолучевых компонент для канала с рэлеевскими замираниями и= 0,1 Гц

Как видно из рисунка 9, при увеличении количества многолучевых компонент вероятность правильной оценки профиля многолучёвости при одном и том же отношении сигнал/шум снижается.

Производится сравнение характеристик предложенной системы НЗИ и ПСИ с существующей системой. Результаты сравнения сведены в таблицу 1.

Из таблицы 1 видно, что по времени зондирования предложенная в диссертационной работе система на 0,42 с уступает известной системе, по укладывается, например, в требования стандарта М1Ь-5ТО-188-1 ЮС (не более 4,8 с). Бодовая скорость для системы с СМПШПС ниже, поскольку сигнал обладает сложной структурой. Соответственно, отличается и число зондирующих посылок. Различие числа субэлементов в информационных посылках для двух систем объясняется потребностью сократить время цикла зондирования в системе с СМПШПС.

Таблица 1 - Параметры известной системы НЗИ и ПСИ и системы аналогичного назначения с использованием ортогональных СМПШПС

Параметры модели Известная система Система НЗИ и ПСИ

НЗИ и ПСИ с СМПШПС

Вид модуляции ФМ-2 СМПШПС

Полоса сигнала, кГц 3 3

Скорость передачи, бод 2400,00 333,33

Замирания рэлеевские рэлеевские

Число лучей 2 2

Продолжение таблицы 1

Параметры модели Известная система НЗИ и ПСИ Система НЗИ и ПСИ с СМГП11ПС

Задержка между лучами, мс 3 3

Число зондирующих посылок 300 36

Число субэлементов в зондирующих посылках 32 32

Число посылок окончания зондирования 5 5

Число субэлементов в посылках окончания зондирования 32 32

Число информационных посылок 8 8

Число субэлементов в информационных посылках 64 32

Время установления синхронизации, с 4,11 3,46

Время зондирования, с 4,28 4,7

Эксплуатационные характеристики анализируемых систем приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 — Эксплуатационные характеристики анализируемых систем

Известная система НЗИ и ПСИ Система НЗИ и ПСИ с СМПШПС

ОСШ, дБ ^дтах» Гц синхронизация, % среднее число правильно принятых символов ОСШ, дБ Сцтах? Гц синхронизация (разделение лучей), % среднее число правильно принятых символов

0 0,5 85 7,71 0 0,5 90(55) 6,45

10 100 8,00 10 90(60) 6,65

0 2,0 90 7,72 0 2,0 90(55) 5,65

10 100 8,00 10 100(65) 5,65

0 5,0 90 7,72 0 5,0 95(65) 5,20

10 95 7,95 10 100(75) 5,65

Таблица 3 - Другие эксплуатационные характеристики анализируемых систем

Параметры модели Известная система НЗИ и ПСИ Система НЗИ и ПСИ с СМПШПС

ОСШ, дБ ^дтал? Гц Математическое ожидание измеряемого ОСШ, дБ Дисперсия измеряемого ОСШ, дБ Математическое ожидание измеряемого ОСШ, дБ Дисперсия измеряемого ОСШ, дБ

0 0,5 1,92 0,62 2.96 1,62

10 9,93 2,76 12,99 1,61

0 2,0 2,60 0,38 3,03 1,06

10 10,41 4,06 13,06 1,05

0 5,0 2.35 0,27 2,80 0,60

10 9,95 3,40 12,81 0.58

Из таблицы 2 следует, что установление синхронизма в системе с ортогональными СМПШПС в половине случаев происходит чаще, чем в известной системе. При этом помехоустойчивость предлагаемой системы с ортогональными СМПШПС существенно хуже. Это объясняется неидеальным разделением лучей, неоптимальным выбором кумулянтов в выражениях подстройки оценок квадратурных составляющих коэффициента передачи канала (19), а также в выражении подстройки оценок параметра а (22). Повышение помехоустойчивости возможно при осуществлении подстройки кумулянтов, введении кодирования и перемежения.

Из таблицы 3 видно, что по близости математического ожидания измеренного отношения сигнал/шум к истинным значениям система с ортогональными СМПШПС, предложенная в диссертационной работе, также проигрывает системе с использованием модуляции ФМ-2. Однако дисперсии оценок отношения мощности сигнала к мощности шума являются более стабильными (для 0 и 10 дБ различие в дисперсии практически отсутствует).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научная задача разработки способов формирования и приёма А/-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов.

В процессе проведённых в диссертационной работе исследований получен ряд научных результатов:

1. Разработано два способа формирования ортогональных в усиленном смысле СМПШПС.

2. Приведены результаты анализа характеристик помехоустойчивости, скрытности, корреляционных свойств и пик-фактора ортогональных СМПШПС.

3. Разработано два способа квазикогерентного приёма ортогональных СМПШПС на основе аппарата нелинейной марковской фильтрации в дискретном времени с учётом воздействия на полезный сигнал комплекса импульсных, сосредоточенных и флуктуационных помех.

4. Разработано два предложения по реализации радиосистем с ортогональными СМПШПС — помехозащищённой системы передачи информации с множественным доступом, системы наклонного зондирования ионосферы и передачи служебной информации.

Результаты диссертационного исследования могут найти своё продолжение и применение при разработке систем радиосвязи различного назначения, в том числе и тех, в которых предъявляются повышенные требования к скрытности и помехозащищённости. Отдельной областью исследования являются многомерные СМПШПС, формирование сигнальных созвездий СМПШПС. Также открытой для изучения и дальнейшей проработки является тема, касающаяся вопросов передачи и приёма СМПШПС в условиях множественного доступа.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Каменецкий, Б. С. Структурная скрытность широкополосных сигналов детерминированной и случайной структуры / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий // Информация и космос. - 2012. - № 3-4. - С. 22-28. (входит в перечень ВАК).

2. Каменецкий, Б. С. Сравнительный анализ методов оптимального приёма М-ичных одночастотных и многочастотных параллельно-последовательных ортогональных широкополосных сигналов / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов // Телекоммуникации. - 2012. - № 2. - С. 2-6. (входит в перечень ВАК).

3. Каменецкий, Б. С. Исследование свойств М-ичных ортогональных многочастотных стохастических параллельно-последовательных широкополосных сигналов / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов // Информатизация и связь. - 2011. - №5. - С. 13-15. (входит в перечень ВАК).

4. Каменецкий, Б. С. Статистический синтез и анализ демодулятора стохастических М-ичных многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов / М. Н. Чесноков, А. А. Соболев, Б. С. Каменецкий // Труды учебных заведений связи. -2009.-№ 180.-С. 70-79.

5. Каменецкий, Б. С. Новые, ортогональные в усиленном смысле стохастические М-ичные многочастотные параллельно-последовательные широкополосные сигналы / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий // I Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании». - СПб.: СПбГУТ, 2011. - С. 335-336.

6. Каменецкий, Б. С. Исследование свойств М-ичных ортогональных многочастотных стохастических параллельно-последовательных широкополосных сигналов / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов // X Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». — Самара: ООО «Книга», 2011. — С. 335-336.

7. Каменецкий, Б. С. Формирование и приём стохастических широкополосных сигналов на основе современных вычислительных платформ / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов // 63-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — СПб.: ГОУВПО СПбГУТ, 2011. — С. 32—34.

8. Каменецкий, Б. С. Синтез цифровых многофункциональных алгоритмов обработки сигналов на основе теории марковской оптимальной нелинейной фильтрации и теории последовательных решений / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов, А. А. Соловьёв // 62-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — СПб.: ГОУВПО СПбГУТ, 2010. - С. 350-351.

9. Каменецкий, Б. С. Статистический синтез и анализ модема стохастических М-ичных многочастотных параллельно-последовательных сигналов / М. Н. Чесноков, А. А. Соболев, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов // 61-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — СПб.: ГОУВПО СПбГУТ, 2009.-С. 233.

10. Каменецкий, Б. С. Синтез и анализ алгоритма оценивания импульсной характеристики декаметрового радиоканала с использованием стохастических многочастотных широкополосных сигналов / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов // X Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». — Самара: ООО «Книга», 2011. — С.352.

11. Каменецкий, Б. С. Современное состояние и тенденции развития теории и техники широкополосных и сверхширокополосных сигналов / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов // 62-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. — СПб.: ГОУВПО СПбГУТ, 2010. — С. 349-350.

12. Каменецкий, Б. С. Анализ характеристик совместного использования М-ичных ортогональных стохастических ШПС и LDPC кодов / М. Н. Чесноков, Б. С. Каменецкий, А. А. Литвинов, А. А. Соловьёв, Б. С. Лежепёков // I Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании». - СПб.: СПбГУТ, 2011. - С. 336-337.

13. Каменецкий, Б. С. Разработка способа формирования ортогональных в усиленном смысле М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов / Б. С. Каменецкий // V Международный научный конгресс «Нейробиотелеком-2012». - СПб.: Политехника, 2012. - С. 29-32.

Подписано в печать 11.04.2013. Формат 60x84 1/16.

_Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ_

Отпечатано в СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЁМА М-ИЧНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

На правах рукописи

04201356890

Каменецкий Борис Семёнович

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель ^

доктор технических наук, профессор Чесноков Михаил Николаевич

Санкт-Петербург -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИЁМА М-ИЧНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА МНОГИХ НЕСУЩИХ.....................13

1.1 Современное состояние СПИ ШПС......................................................................13

1.2 Существующие тенденции в области генерирования и передачи сигналов для СПИ ШПС......................................................................................................................17

1.3 Модели каналов для СПИ ШПС............................................................................33

1.4 Постановка научной задачи....................................................................................41

1.5 Выводы по главе.....................................................................................................43

2 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ФОРМИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ СВОЙСТВ ОРТОГОНАЛЬНЫХ М-ИЧНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ...................................................................................................................45

2.1 Разработка способа формирования ОУС СМПТНПС..........................................45

2.2 Разработка датчика исходных АПП......................................................................51

2.3 Примеры ансамблей ОУС и ООС СМПШПС.....................................................54

2.4 Анализ свойств ортогональных СМПШПС..........................................................57

2.4.1 Структура СМПШПС.......................................................................................57

2.4.2 Анализ корреляционных свойств СМГПНПС................................................61

2.4.3 Анализ и методы ограничения пик-фактора СМПШПС..............................65

2.4.4 Анализ структурной скрытности СМПТНПС................................................73

2.5 Расчёт ресурсов, требуемых для выполнения процедуры ортогонализации Грама-Шмидта...............................................................................................................84

2.6 Разработка способа формирования ОУС СМПШПС с помощью ОАВ............87

2.7 Выводы по главе......................................................................................................92

3 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПРИЁМА ОРТОГОНАЛЬНЫХ М-ИЧНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ...................................................................................................................94

3.1 Разработка способа приёма многомерных ортогональных СМПШПС на основе алгоритма с использованием аппарата НМФ в ДВ...................................................94

3.2 Разработка способа приёма ортогональных СМПШПС на основе алгоритма с ОСДП с использованием аппарата НМФ в ДВ.........................................................106

3.3 Разработка способа оценивания импульсной характеристики КВ канала с использованием ортогональных СМПШПС.............................................................116

3.4 Некогерентный демодулятор для ОУС СМПШПС для УКВ канала...............126

3.5 Выводы по главе....................................................................................................129

4 АНАЛИЗ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИЁМА ОРТОГОНАЛЬНЫХ М-ИЧНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ МНОГОЧАСТОТНЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ

ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ.......................................................................130

4.1 Анализ помехоустойчивости некогерентного приёма ОУС СМПШПС..........130

4.2 Анализ помехоустойчивости квазикогерентного приёма ортогональных СМПШПС для канала с постоянными параметрами и АБГШ...............................134

4.3 Анализ работы и характеристик помехоустойчивости для устройства квазикогерентного приёма ортогональных СМПШПС для каналов с замираниями и АБГШ.........................................................................................................................136

4.4 Анализ характеристик помехоустойчивости для СПИ с ортогональными СМПШПС для канала с замираниями в условиях воздействия комплекса импульсных и флуктуационных помех.....................................................................143

4.5 Анализ помехоустойчивости некогерентного приёма ОУС СМПШПС, сформированных с помощью ОАВ, для канала с постоянными параметрами и АБГШ............................................................................................................................146

4.6 Выводы по главе

148

5 РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО РЕАЛИЗАЦИИ РАДИОСИСТЕМ С М-ИЧНЫМИ СТОХАСТИЧЕСКИМИ МНОГОЧАСТОТНЫМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ

ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ................................................................150

5.1 Помехозащищённая СПИ с МД с ОУС СМПТТТПС, сформированными с помощью ОАВ, на базе современной ВП.................................................................150

5.1.1 Описание и анализа работы системы...........................................................150

5.1.2 Оценка достижимых характеристик предложенного алгоритма некогерентного приема ортогональных СМПТТТПС на базе ПЛИС Virtex II........166

5.2 Система НЗИ и ПСИ с ортогональными СМПТТТПС, сформированными с помощью процедуры Грама-Шмидта........................................................................169

5.2.1 Постановка задачи..........................................................................................169

5.2.2 Характеристики предложенной системы.....................................................172

5.3 Выводы по главе....................................................................................................179

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................181

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...............................184

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................187

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время возродился интерес специалистов к системам связи, использующим для передачи информации широкополосные сигналы (ШПС). В то же время, уже в позапрошлом десятилетии наметилась тенденция к конвергенции технологий OFDM (англ. Orthogonal Frequency Division Multiplexing -ортогональное частотное разделение с мультиплексированием) и CDMA (англ. Code Division Multiple Access - кодовое разделение с множественным доступом). Всё это подтверждается большим числом современных зарубежных источников по соответствующей тематике.

В то же время, несмотря на активное развитие архитектуры существующих систем, методов кодирования, перемежения и синхронизации, зачастую в них по-прежнему используются сигналы, обладающие детерминированной структурой, такие, как функции Уолша. Это обуславливает лёгкость обнаружения структуры передаваемого сигнала, постановки имитационных помех и перехвата важной информации.

Таким образом, при сохранении существующих тенденций (активное использование технологий OFDM и CDMA) требуется искать новые формы сигналов и новые виды модуляции, обеспечивающие системам связи различного назначения скрытность и защиту от преднамеренных помех.

Для новых ансамблей сигналов важно синтезировать приёмное устройство, учитывающее все достижения теории связи, цифровой обработки сигналов. Обе эти задачи: разработка способов формирования ансамблей новых многочастотных широкополосных сигналов и разработка способов их приёма - являются актуальными и решаются в рамках данной диссертационной работы.

Проблемам формирования и приёма сложных, в том числе, стохастических сигналов посвящены работы P.P. Биккенина [4], JI.E. Варакина [6], В.П. Ипатова [16], В.И. Коржика [19, 21], Ю.Б. Окунева [24], Г.И. Тузова [37], М. Хаслера [65] и многих других учёных.

Предложения по формированию сигналов, обладающих повышенной структурной скрытностью и устойчивостью к оптимизированным помехам, были сделаны такими исследователями, как Дж. Дайер и Б. Натараджан [84], П. Карабинис [110, 114], М.Н. Чесноков [29, 59], С. Атвэл [55].

Способы приёма сложных, в том числе, стохастических широкополосных сигналов на основе аппарата оптимальной нелинейной фильтрации марковских процессов разрабатывались в работах В.А. Чердынцева [41, 42], В.Н. Харисова [36], И.В. Тихонова и Н.К. Кульмана [34, 35], А.И. Перова [25] и других.

Однако многие вопросы, связанные с формированием и обработкой такого рода сигналов остались недостаточно изученными. Речь идёт, в том числе, о разработке способов формирования и приёма ортогональных М-ичных стохастических широкополосных сигналов, обладающих повышенной структурной скрытностью и устойчивостью к оптимизированным помехам.

Объектом исследования являются М-ичные стохастические многочастотные параллельно-последовательные широкополосные сигналы (СМПТНПС).

Предмет исследования - способы формировании и приёма М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных

широкополосных сигналов.

Целью работы является разработка способов формирования и приёма М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе формулируются решения следующих частных задач:

1. Исследование существующих способов формирования и приёма М-ичных стохастических многочастотных ШПС, определение основных тенденций в этой области.

2. Разработка способов формирования СМПШПС.

3. Анализ свойств СМПШПС.

4. Разработка способов приёма СМПШПС.

5. Разработка предложений по реализации радиосистем с СМПШПС.

Методы исследований. В ходе исследований применялись методы линейной алгебры, статистической теории связи, нелинейной марковской фильтрации, теории потенциальной помехоустойчивости, теории вероятности, теории спектрального корреляционного обнаружения сигналов, компьютерного имитационного моделирования, динамического программирования. При моделировании и разработке программ использовались, языки программирования С++, МаАаЬ, Уеп^.

Достоверность результатов подтверждается применением строгого математического аппарата, отсутствием противоречия результатов диссертационной работы и сделанных на их основании выводов известным научным данным, результатами моделирования в среде 81шиНпк пакета программ МайаЬ, а также экспериментом, проведённым с использованием современной аппаратной платформы.

Научная новизна присутствует в следующих результатах работы:

1. Разработано 2 способа формирования ансамблей ортогональных в усиленном смысле (ОУС) (в том числе, ортогональных в обычном смысле (ООС)) М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов, обладающих большей структурной скрытностью1 и большей устойчивостью к оптимизированным помехам по сравнению с известными сигналами.

2. Исследованы свойства полученных сигналов: автокорреляционные функции (АКФ), пик-фактор. Также произведено сравнение структурной скрытности СМГПНПС, сформированных с помощью процедуры ортогонализации Грама-Шмидта и сигналов с модуляцией МОК (М-ичное ортогональное кодирование) на основе современного метода обнаружения сигналов с использованием функции спектральной корреляции, демонстрирующее, что ортогональные СМПШПС

1 Структурная скрытность (СС) - это свойство сигнала, характеризующее устойчивость к определению закона его формирования. Низкая СС даёт возможность осуществлять постановку имитационных помех и тем самым препятствовать работе радиосистемы. Следовательно, высокая СС обеспечивает радиосистемам повышенную помехозащищённость.

обладают повышенной структурной скрытностью по сравнению с относительно широко используемыми сигналами с модуляцией МОК с функциями Уолша в качестве опорных кодовых последовательностей. С помощью методов имитационного моделирования получены кривые помехоустойчивости для системы передачи информации (СПИ) с ортогональными СМПШПС для случаев канала с замираниями и без замираний.

3. На основе аппарата нелинейной марковской фильтрации (НМФ) в дискретном времени (ДВ) разработано 2 способа квазикогерентного приёма ортогональных СМПШПС - синтезированы 2 многофункциональных алгоритма их демодуляции и синхронизации, учитывающие воздействие комплекса импульсных, сосредоточенных и флуктуационных помех.

4. Произведено сравнение эффективности применения сформированных ортогональных СМПШПС и сигналов с модуляцией ФМ-2 для целей зондирования коротковолнового (КВ) канала и передачи служебной информации (ПСИ), результаты которого показывают, что СМПШПС обеспечивают показатели, сопоставимые с показателями, которые возможно получить при применении традиционных сигналов при большей структурной скрытности.

Практическая значимость работы.

1. Предложенные в работе способы формирования ансамблей ОУС (в том числе, ООС) СМПШПС позволяют формировать сигналы, обладающие повышенной структурной скрытностью и помехозащищённостью, которые могут быть использованы в корпоративных системах связи, системах связи специального назначения, системах военной связи.

2. Полученная в среде 8тшНпк пакета программ МайаЬ на основе синтезированного многофункционального алгоритма демодуляции и синхронизации ортогональных СМПШПС модель приёмного устройства для канала с замираниями и дискретной многолучёвостью, учитывающая воздействие комплекса импульсных, сосредоточенных и флуктуационных помех, может быть реализована на современных вычислительных платформах (ВП) и использована для оценки состояния коротковолнового (КВ) канала и ПСИ по КВ каналу.

3. Макет системы передачи информации с ортогональными СМПШПС, сформированными с помощью обобщённого алгоритма Витерби (ОАВ), доказывает работоспособность соответствующей системы и её реализуемость на базе современной ВП (программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) У1Лех II, процессор ТМ8320С64161;). Предложенная СПИ может быть использована с необходимыми модификациями в рамках разработки помехозащищённых систем связи с множественным доступом (МД), например, внутрикорпоративных систем связи, систем сотовой связи, систем связи специального назначения и систем военной связи.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований внедрены в ООО «Научно-производственное предприятие «Новые технологии телекоммуникаций» (ООО «НПП «НТТ») при разработке помехозащищённой радиосистемы передачи информации с множественным доступом, а также в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» что подтверждено справками о внедрении.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на 61-й, 62-й, 63-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ [30, 32, 49, 53], на I международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» [2, 46], на X международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» [44, 47], а также на V международном научном конгрессе «Нейробиотелеком-2012» [18].

Публикации. На тему диссертации опубликовано 13 печатных работ, 3 из которых в журналах, включённых в перечень ВАК РФ [43, 50, 52] 1 работа опубликована в журнале «Труды учебных заведений связи» [51], 2 включены в тезисы докладов X международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», 2 включены в тезисы докладов I международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании», 4 включены в тезисы докладов 61-й, 62-й, 63-й научно-технических конференций

профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ, 1 включена в тезисы докладов V международного научного конгресса «Нейробиотелеком-2012». На основе материалов, включённых в диссертационную работу, составлена и подана 1 заявка на изобретение [12].

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Способ формирования ортогональных в усиленном смысле М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов, который позволяет получить ансамбли сигналов, обладающих большей структурной скрытностью и большей устойчивостью к оптимизированным помехам по сравнению с известными сигналами.

2. Результаты анализа характеристик помехоустойчивости, скрытности, корреляционных свойств и пик-фактора ортогональных М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов.

3. Способы приёма ортогональных М-ичных стохастических многочастотных параллельно-последовательных широкополосных сигналов, разработанные на основе аппарата нелинейной марковской фильтрации в дискретном времени с учётом воздействия комплекса импульсных, сосредоточенных и флуктуационных помех, обеспечивающие возможность работы системы передачи информации в условиях замираний, многолучёвости и сложной помеховой обстановки.

4. Предложения по реализации радиосистем с ортогональными М-ичными стохастическими многочастотными параллельно-последовательными широкополосными сигналами.

Объём и структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав, з�