Разработка и исследование алгоритмов функционирования приемника шумоподобных сигналов

Стремительное развитие теории и техники радиосвязи привело к появлению большого количества профессиональных и любительских радиостанций, подавляющая часть которых излучает AM, ЧМ или ФМ колебания, или их разновидности. Благодаря этому, несмотря на регламентирование радиопередач, многие каналы связи в настоящее время оказываются плотно загруженными как по времени, так и по частоте [52, 109]. Увеличение требований к качеству передачи приводит к увеличению мощности, полосы и времени передачи сообщений, с одной стороны, и усложнению фильтров и преобразований принимаемых сигналов, с другой стороны. Сигналы, передаваемые узкополосными радиостанциями с точки зрения их соседей по частоте, представляют собой мощные узкополосные помехи, для избавления от которых применяется дорогостоящее оборудование.

Особенно плотно радиостанции распределены в KB — канале. Массовое применение частот диапазона 3−30 МГц обусловлено свойством дальнего и сверхдальнего распространения радиоволн, отражаемых ионосферой [44, 52, 93, 109]. Благодаря этому обеспечивается связь практически на любые земные расстояния. С экономической точки зрения организация передачи сообщений (создание и эксплуатация приемо-передающей аппаратуры) в KB канале обходится дешевле, чем другими способами, например, по радиорелейным линиям, по спутниковому каналу, по проводным линиям. На трассах радиосвязи различных направлений и протяженности используются участки KB диапазона применяемые по условиям распространения частот. При изменении условий распространения радиоволн приходится менять рабочие частоты в различное время суток, сезона года, фазы солнечной активности. Из-за этого появление мощных помех на той или иной частоте в KB диапазоне можно рассматривать как случайное. При использовании узкополосных сигналов основной вклад в снижение качества принимаемого сообщения вносят помехи от соседних каналов, которые обычно превышают атмосферные. Снижению качества связи способствуют и фильтровые свойства каналов: искажения сигналов и многолучевость распространения.

Попытки преодоления вредного влияния многолучевости принимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы [4, 14, 18, 40, 44, 48, 55, 79, 105]. Однако все эти методы не дают принципиального решения проблемы. Поэтому в настоящее время актуален вопрос улучшения качества связи в этом диапазоне.

Одним из перспективных способов преодоления указанных недостатков каналов связи является использование сложных сигналов, называемых также широкополосными или шумоподобньши (ШПС). Радиосистемы, использующие сложные сигналы, по методам технической реализации, свойствам и возможностям существенно отличаются от традиционных узкополосных радиосистем, основанных на использовании сигналов с базой 5=1.

К наиболее важным отличиям широкополосных систем по методам технической реализации относят использование сигналов с полосой частот более широкой, чем полоса спектра передаваемых сообщений, и методов приема и селекции, основанных на различии форм используемых сигналов [20]. Эти отличия позволяют обеспечить качественно новые свойства радиосистем различного назначения и открывают дополнительные возможности для их развития [74], В частности, применение сложных сигналов в системах связи и управления позволяет:

• улучшить использование полосы частот в случае неполной загрузки отдельных каналов;

• повысить разрешающую способность сигналов и, как следствие этого, значительно улучшить работу системы в условиях многолучевого распространения радиоволн;

• создать скрытые и помехоустойчивые системы связи, существенно затрудняющие радиоразведку и организацию радиопротиводействия;

• организовать дополнительные каналы передачи дискретной информации в диапазоне частот уже занятом узкополосными системами связи.

Таким образом, есть возможность с помощью ШПС передавать дополнительную информацию в уже загруженном диапазоне частот, практически не ухудшая качества работы уже существующих каналов связи с узкополосными сигналами. Разные ШПС, используемые в одном и том же диапазоне, представляют друг для друга флкжтуационную помех}'.

Идея использования ШПС для передачи цифровой информации не нова. Одной из первых систем, в которой удалось осуществить раздельный прием с последующим суммированием каждого из запаздывающих лучей, была система «Rake». В ней использована аналоговая обработка принимаемых дискретных сигналов. Примененное оборудование имело относительно высокий уровень внутренних шумов, что сказывалось на достоверности приема. В результате в «Rake» не проявились все достоинства ШПС [71].

С тех пор прошел достаточно большой отрезок времени, во время которого научно-техническое развитие отрасли радиосвязи и, в частности, в области передачи и приема широкополосных сигналов сделало широкий шаг вперед. Огромное развитие получила цифровая техника, а также теория и практические методы обработки цифровых данных на электронно-вычислительных машинах [32]. Поскольку аналоговые методы обработки принимаемых сообщений характеризуются большим уровнем потерь [28, 110], то имеет смысл использовать цифровые способы передачи дискретных сообщений, имеющие принципиально иной характер потерь.

До последнего времени теория передачи дискретных сообщений в радиоканалах с шумами и замираниями разрабатывалась фундаментально и успешно. Однако при этом исследования надежности приема обычно ограничивались представлением помехи нормальным шумом с постоянной спектральной интенсивностью в полосе приема, а изменения сигналарелеевским или квазирелеевским распределением вероятности амплитуд [20, 21, 71, 97, 103]. Очевидно, что при использовании широкополосных сигналов такое определение помехи далеко не всегда отражает действительную картину, поскольку их база значительно больше, чем у обычных узкополосных сигналов и в полосе приема в течение времени работы широкополосной системы связи может оказаться кроме белого шума несколько мощных узкополосных помех. Следовательно есть необходимость в дополнительном исследовании возможности передачи ШПС в KB канале на фоне нестационарных неравномерных помех.

Целью настоящей работы является разработка и исследование адаптивного цифрового алгоритма приема сложных сигналов в канале, загруженном нестационарной аддитивной помехой с неравномерным энергетическим спектром, повышение скорости приема дискретной информации.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели сложных сигналов и нестационарных помех с неравномерным спектром в загруженном канале.

2. Разработка алгоритмов приема сложных сигналов в загруженном канале, исследование возможностей учета оценок энергетического спектра помехи.

3. Определение численных значений показателей качества разработанных алгоритмов приема сложных сигналов.

4, Разработка компьютерной модели нестационарной помехи с неравномерным энергетическим спектром.

5. Проведение экспериментального исследования разработанных алгоритмов методом имитационного моделирования.

Поставленные задачи решались на основе совмещения аналитических методов и методов моделирования. Разработка и анализ алгоритмов приема ШПС проводились с использованием методов теории систем сигналов, теории вероятностей и математической статистики. Качество синтезированных алгоритмов определялось с использованием энергетических характеристик. Корректность результатов, полученных в процессе теоретического исследования проверялось путем компьютерного моделирования приема ШПС с использованием адекватной модели аддитивной модели с нестационарным неравномерным энергетическим спектром.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель канала связи с ШПС, отражающая основной комплекс факторов, оказывающих существенное воздействие на прием в данном канале.

2. Адаптивные алгоритмы приема ШПС при аддитивной помехе с неравномерным нестационарным энергетическим спектром, основанные на различных способах оценки и учета энергетического спектра помехи.

3. Сопоставление энергетических показателей синтезированных алгоритмов приема ШПС при различных состояниях канала связи и сравнение требуемых ими вычислительных мощностей.

4. Имитационная модель аддитивной помехи с неравномерным нестационарным энергетическим спектром, позволяющая варьировать степень неравномерности и нестационарности спектра.

5. Результаты компьютерного моделирования адаптивного приема ШПС по разработанным алгоритмам при различных состояниях канала связи.

Результаты исследования использованы в НИОКР ОАО «Сарапульский радиозавод» и в учебном процессе МжГТУ в курсе «Основы теории радиотехнических систем» .

Диссертация состоит из 4-х глав, содержание которых заключается в следующем.

В главе 1 проведен анализ известных алгоритмов приема сложных сигналов и моделей каналов передачи таких сигналов, синтезирована модель дополнительного канала связи с ШПС и нестационарной помехой с неравномерным спектром.

Глава 2 посвящена созданию и анализу качества по энергетическим показателям 2-х алгоритмов приема ШПС: алгоритма с оцениванием энергетического спектра помехи путем усреднения помехи или аддитивной смеси сигнала и помехи и алгоритма с бинаризацией весовых коэффициентов по результатам оценивания энергетического спектра помехи.

В главе 3 разработаны алгоритмы приема сложных сигналов требующие меньших вычислительных затрат: с пороговой селекцией дискретных линий и с нормализацией аддитивной смеси, определены показатели качества приема по этим алгоритмам. Проведено исследование распределения отклика на принятую аддитивную смесь сложного сигнала и комплексной помехи, определено влияние флюктуаций сигнальной составляющей отклика на качество приема.

В главе 4 разработана компьютерная модель аддитивной помехи с неравномерным нестационарным энергетическим спектром, проведено моделирование приема по 4-м разработанным и оптимальному алгоритмам и дана сравнительная характеристика исследованных алгоритмов.

Общие выводы.

1. Приемники ШПС с корреляторами и согласованными фильтрами не обеспечивают необходимое качество при нефлюктуационной помехе. Работа аналоговых устройств из-за невозможности идеальной настройки сопровождается потерями в единицы десятки децибел. Адаптивный цифровой приемник дискретной информации, учитывающий неравномерность аддитивной помехи, обеспечивает более высокое качество приема, хотя и не учитывает нестационарности помехи в реальном канале связи.

2. Разработана математическая модель канала связи с шумоподобным сигналом с нестационарной помехой с неравномерным спектром.

3. Получены четыре модификации цифрового алгоритма приема ШПС, обеспечивающих адаптацию к аддитивной помехе с неравномерным нестационарным энергетическим спектром: алгоритм приема с усреднением аддитивной смеси во времени, алгоритм приема с бинаризацией весовых коэффициентов по результатам усреднения аддитивной смеси, алгоритм приема с бинаризацией весовых коэффициентов по текущему элементу сообщения и алгоритм приема с нормализацией аддитивной смеси.

4. Проведен теоретический анализ созданных алгоритмов функционирования, основанный на сопоставлении их энергетических характеристик. Установлено, что качество работы приемника зависит от параметров адаптации. Анализ показал, что при нахождении нормированного порога бинаризации в интервале 2-г7 приемник с бинаризацией по оценке работает практически без потерь при различном характере помех. Потери в приемнике с усреднением при стационарной помехе составляют десятые доли децибела при длительности усреднения в 50 элементов сообщения, при нестационарной помехе потери значительно увеличиваются. Приемник с бинаризацией при нормированном пороге 3+5 работает с потерями до 1 дБ при различных помехах.

5. Полученные модификации цифрового алгоритма различаются по скорости приема. Самым медленным является алгоритм с усреднением из-за большого числа операций деления и необходимости постоянного отслеживания энергетического спектра помех, в алгоритме с бинаризацией по оценке отсутствуют операции деления и часть операций умножения, а вычисление порога может проводится параллельно приему сообщений, поэтому скорость его работы несколько выше, самым скоростным является алгоритм с бинаризацией из-за отсутствия процедуры усреднения и операций деления.

6. Исследование распределения отклика на аддитивную смесь показало, что помеховые составляющие отклика имеют распределение, существенно отличающееся от нормального, оно не является одномодовым, что приводит к некорректности сопоставления по энергетическим показателям алгоритма с нормализацией аддитивной смеси с другими алгоритмами.

7. Разработана имитационная модель аддитивной помехи с неравномерным нестационарным спектром. Модель позволяет получать реализации энергетического спектра с заданными параметрами нестационарности и неравномерности с помощью изменения среднего времени стационарности помехи, вероятности перестройки линии дискретного спектра помехи, коэффициента неравномерности и коэффициента поражения полосы.

8. Выполнено компьютерное имитационное моделирование СПДИ по загруженному каналу связи, результаты которого подтвердили высокую эффективность 3-х полученных модификаций цифрового и показали удовлетворительное совпадение теоретических оценок качества этих алгоритмов с результатами, полученными моделированием. Так при стационарной помехе вероятность ошибок приема по алгоритмам с усреднением и с бинаризацией по оценке практически совпадает с вероятностью ошибок приема по оптимальному алгоритму и составляет 0,08 при С1я2=32дБ и 6−10″ 4 при с182=26дБ. При нестационарной помехе потери не превышают 2дБ для алгоритма с бинаризацией по оценке и 1,5дБ для алгоритма.

120 с усреднением даже при ц82=26дБ. Прием по алгоритму с бинаризацией характеризуется потерями, не превышающими 1дБ при любой нестационарности помехи при условии, что порог бинаризации вычисляется за время приема одного элемента сообщения. Вероятность ошибки в приемнике с нормализацией превышает на 2-КЗ порядка вероятности ошибки приема по другим алгоритмам, что указывает на неработоспособность алгоритма с нормализацией аддитивной смеси.