Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка математической модели системы связи с анализом качества канала связи 21
1.1. Особенности KB канала связи 21
1.2. Разработка математической модели системы связи 25
1.3. Разработка алгоритма приема дискретных сигналов в стохастическом канале связи 34
1.4. Анализ качества канала связи по информационной последовательности принимаемого сигнала 41
1.5. Выводы 50
Глава 2. Разработка Алгоритмов Разрешения Априор Ной Неопределенности В Дискретных Каналах Связи 53
2.1. Амплитудная телеграфия 53
2.1.1. Когерентный прием 53
2.1.2. Некогерентный прием 60
2.2. Частотная телеграфия 66
2.2.1. Прием с известной начальной фазой 66
2.2.2. Прием со случайной начальной фазой 71
2.3. Фазовая телеграфия 74
2.3.1. Прием с известной начальной фазой 74
2.3.2. Прием сигнала со случайной фазой для замирающего сигнала и незамирающей помехи 83
2.3.3. Относительная фазовая телеграфия 87
2.4. Выводы 91
Глава 3. Применение разработанных устройств контроля качества нестационарного канала связи 93
3.1. Адаптации порогов при оценке качества канала связи 93
3.2. Учет погрешности анализатора качества канала связи на помехоустойчивость адаптивного приема сигналов 101
3.3. Локализация влияния динамического диапазона радиоприемного устройства на качество приема 104
3.4. Реализация устройств контроля состояния канала связи по структуре информационного сигнала 107
3.5. Выводы 120
Глава 4. Реализация и экспериментальное исследование приемника с элементами адаптации по информационному сигналу 122
4.1. Реализация приемника с элементами адаптации 122
4.2. Применение разработанных анализаторов качества канала связи для адаптации системы цикловой синхронизации 132
4.3. Применение разработанных анализаторов качества канала связи для адаптивной регулировки усилением 135
4.4. Разработка амплитудно-фазового корректора квадратурных составляющих 137
4.5. Имитационное моделирование анализаторов качества канала связи по информационной структуре сигнала 146
4.6. Выводы 150
Заключение 153
Литература 157
Приложение 169
- Разработка математической модели системы связи
- Прием сигнала со случайной фазой для замирающего сигнала и незамирающей помехи
- Учет погрешности анализатора качества канала связи на помехоустойчивость адаптивного приема сигналов
- Применение разработанных анализаторов качества канала связи для адаптации системы цикловой синхронизации
Введение к работе
Актуальность работы. Современные системы связи характеризуются тем, что в них широко используются цифровые методы формирования и обработки сигналов. Это дает возможность применять сложные алгоритмы при уменьшении массогабаритных и энергетических затрат. Достоверность обеспечивается применением оптимальных алгоритмов приема сигналов, синтезированных с учетом реальной обстановки.
Проблемы оптимального приема сигналов подробно изучены в классических работах Р. Найквиста, К. Шеннона, Р. Хемминга, В.А. Котельникова [49], А.А. Харкевича, В.И. Сифорова, Н.Т. Петровича, В.И. Тихонова [95,97], Д. Миддлтон [60,61], Б.Р. Левина [53], Л.М. Финка[103,104], а также Ю.Г. Сосу-лина, Л.С Гуткина, Р.Л. Стратоновича [91], Ю.В. Гуляева, Д.Д. Кловского [42], Н.П. Хворостенко [105], Т. Кайлата, Дж.М. Возенкрафта [22], Л.Е. Варакина [19], А.П. Трифонова [51], Ю.С. Шинакова, Б.И. Николаева [64], М.С. Ярлыко-ва [115], В.Г. Карташевского [36] и многих других отечественных и зарубежных авторов [4, 5, 80, 81, 85].
Решению задач оценки сигналов и управления в посвящены работы Э. Сейджа, Дж. Мелса [79], Д. Снайдера [83], Дж. Медича [59] и других авторов [82,27].
Задачи реализации алгоритмов обработки сигналов, решаются путем совершенствования методов цифровой обработки сигналов и создания более быстродействующей элементной базы. В этом направлении достигнуты заметные успехи. Методы, разработанные в работах Б. Голда, Л. Рабинера, А.В. Оппен-гейма [68, 75] и других авторов [100, 107], позволяют создавать высокопроизводительные устройства обработки информации.
Такие факторы, как ограниченный динамический диапазон [11, 12, 25], фильтры с неидеальной амплитудно-частотной и фазовой характеристиками оказывают существенное влияние на качественные показатели реализованных алгоритмов приема. В работах В.И. Голубева [24], И.З. Климова [39] и других авторов [25, 69], развиты методы проектирования радиотехнических устройств
7 с учетом неидеальных характеристик компонентной базы.
Повышение эффективности системы связи достигается за счет применения адаптации [70, 84, 89, 91, 108]. Характерной чертой любой адаптивной системы связи является использование в алгоритме приема информации о состоянии канала связи (КС). Контроль канала включает в себя два этапа: измерение необходимых параметров сигналов и вынесение решения о качестве канала связи. Принятое решение должно использоваться устройством управления адаптивной системой.
Существующие методы адаптации в системах связи основаны, в частности, на использовании обратного информационного КС. В работах В.П. Шувалова [113], М.Н. Арипова [7], О.В. Головина [23], Б.Я. Советова [84] и других авторов [16, 28, 67, 112] предложены различные устройства контроля состояния КС. К числу наиболее важных задач следует отнести определение параметров, позволяющих оценить качество КС при минимальных затратах программно-аппаратных средств. Большое значение также придается скорости получения оценки.
Особый интерес представляют системы связи, работающих в коротковолновом (KB) диапазоне, регламент связи которых не дает возможности применить обратный канал и длинные корректирующие коды. К реализации таких систем одновременно предъявляется ряд следующих специфических требований: высокие требованиями к достоверности принимаемой информации при высоком уровне помех; минимальные массогабаритные характеристики; максимальное снижение энергетических затрат.
Это требует разработки более эффективных методов приема и оценки сигналов. Следовательно, чрезвычайно актуальной задачей является создание методов приема сигналов с оценкой качества нестационарного канала, учитывающих не только влияние помех, но и программно-аппаратные ограничения.
Для разрешения априорной неопределенности в стохастическом нестационарном канале в схемах оптимального приемника целесообразно использовать анализаторы контроля качества канала связи (АККС). От качества оценки канала связи во многом зависит выигрыш, получаемый за счет адаптации.
При передаче сообщения по стационарным каналам в качестве меры верности применяют вероятность ошибочного приема символа. На практике для оценки вероятности ошибочного приема символа используют коэффициент ошибок или частость ошибок. Поэтому с увеличением времени измерения точность оценки возрастает. Такое утверждение справедливо только для каналов с постоянными параметрами. Для таких каналов разработан, ряд математических моделей, на основе которых синтезированы оптимальные алгоритмы приема сигналов, обеспечивающие наибольшую вероятность правильного приема в заданной помеховой обстановке [104]. Такие модели каналов непригодны для решения задач приема сигналов в нестационарном KB канале.
Помеховая обстановка на KB радиолиниях существенно изменяется за время сеанса. Кроме этого, к основным факторам, снижающими верность приема, можно отнести помехи от соседних станций и многолучевость. В связи с этим для реализации адаптивного приема сигналов необходимо разработать алгоритм формирования динамических оценок качества канала. Такой оценкой может быть коэффициент ошибок, определяемый на коротком промежутке времени, в течение которого параметры каналов можно считать квазистационарными.
Для оценки качества канала связи используют коэффициент надежности, определяющий долю времени, в течение которой коэффициент ошибок не превышает некоторого заданного значения. Этот способ оценки качества связи весьма прогрессивен и, как отмечается в [16, 64], соответствует рекомендациям международных комиссий.
При наличии замираний в радиоканале ошибки группируются в пакеты [13, 71]. Поэтому вероятность ошибки не дает полной характеристики состояния канала, так как она не отражает временного распределения ошибок за пе-
9 риод измерения. Многочисленные исследования статистики ошибок привели к тому, что в настоящее время насчитывается несколько десятков моделей, более или менее удовлетворительно описывающих потоки ошибок в реальных каналах [34, 71, 84].
Для аналитического описания потока ошибок подбирают достаточно хорошо согласующийся с экспериментальными данными закон распределения длин интервалов между ошибками. Однако в таких моделях не учитывается физическая сущность происходящих в канале процессов и не вскрывается механизм группирования ошибок. Среди моделей, в некоторой степени учитывающих взаимосвязь между физическими процессами и искажениями сигналов в КС, можно выделить модели Гильберта, Эллиота - Гильберта, Смита - Боуэна-Джойса, Фричмана - Свободы, Мюллера, Беннета - Фройлиха, Мертца, Попова -Турина [10]. Достаточно полной можно считать модель Гильберта, использующей понятие «состояние канала». В этой модели задаются условные вероятности появления ошибок. Переходы из одного состояния в другое описываются с помощью цепей Маркова.
Перечисленные модели потоков ошибок позволяют оценить работоспособность системы связи в среднем на сравнительно больших интервалах времени, что значительно ограничивает возможности этих моделей для оперативного контроля.
Таким образом, контроль качества КС при приеме дискретной информации должен решать следующие задачи [23]:
Обеспечение оперативной оценки основных характеристик КС, от которых зависит верность принимаемой информации;
Автоматическое слежение за основными характеристиками канала для прогнозирования их изменения;
Определение влияния различных параметров канала связи на верность информации для адаптивного управления отдельными элементами или всей системой связи;
10 4. Обработка результатов анализа сигналов в различных точках информационного тракта радиоприемного устройства (РПрУ) для установления зависимости между искажениями сигнала в этих точках и соответствующей мерой верности. При использовании статических методов оценки канала предполагается неизменность статистических характеристик сигнала, помех и канала связи во времени. Алгоритм получения оценок статическим методом основан на возможности сбора всего статистического материала в виде представительной однородной выборки, получаемой экспериментально. К недостаткам статических моделей каналов можно отнести то, что наблюдаемый процесс предполагается эргодическим и статистическая обработка производится путем усреднения во времени. Очевидно, что при этом теряется информация о динамике изменения случайных величин на коротких интервалах времени.
Динамический метод оценки свободен от этих недостатков. При этом чаще всего рассматриваются квазидинамические (кусочностационарные) модели, в которых параметры КС предполагаются постоянными в пределах ограниченного интервала времени, где они и оцениваются.
При использовании в качестве классификационного признака априорных сведений о законе распределения действующих в КС сигналов и помех методы контроля качества каналов могут быть разделены на параметрические и непараметрические. Для контроля качества КС при тестовых методах на приемной стороне необходимо иметь эталонную комбинацию посылок, с которой сопоставляется принятая посылка. Эту эталонную комбинацию формируют на приемной стороне с помощью специального устройства, сигнал которого синхронизируется сигналами, выделяемыми из принимаемого сигнала.
Бестестовые методы контроля позволяют контролировать качество КС во время передачи информации с любым назначением и содержанием. Являясь универсальными и оперативными, они дают возможность получать динамические оценки состояния канала на различных этапах вхождения в связь и ее осуществления. В качестве датчиков контроля качества КС используют уст- ройства, оценивающие отношение сигнала к помехе. Подобные датчики реализуются устройствами, работа которых основана на эффекте взаимодействия сигнала и помехи в нелинейном элементе. Для таких устройств обычно применяют: квадратичный детектор, амплитудный ограничитель и т. д.
Верность принимаемой информации можно оценить, используя методы оптимальной линейной фильтрации. Однако техническая реализация подобных устройств сложна, что ограничивает их применение в адаптивных KB системах радиосвязи.
В KB канале действует так же большое число разнообразных мультипликативных и аддитивных помех, совокупное влияние которых приводит к снижению верности принимаемой информации и к быстрым изменениям помеховой обстановки. Поэтому необходима высокая оперативности контроля, но определить степень влияния каждой из помех на верность информации крайне трудно. В связи с этим в последнее время наметилась тенденция к поиску интегральной оценки воздействия совокупности всех факторов на качество связи. К интегральным параметрам сигналов, получаемых после демодулятора, относят такие вторичные характеристики, как временные искажения (ВИ), сигналы «стирания» и ошибки. Следует отметить, что искажения дискретных сигналов и ошибки возникают в результате действия комплекса помех при прохождении радиосигналов через линию связи, взаимодействия сигнала и помех в радиоприемном устройстве (РПрУ), влияния характеристик демодулятора и порогового устройства.
Качество КС можно оценивать по ВИ дискретных сигналов в полунепрерывном канале [16]. Различают несколько видов ВИ [16, 111]: краевые искажения, проявляющиеся в смещении фронтов демодулированных элементов сигнала от их номинального положения; дробления, выраженные в кратковременной однократной или многократной смене знака на протяжении длительности одной элементарной посылки; «слияние» или «пропадание» посылок.
Возможность использования ВИ для оценки верности принимаемой информации экспериментально подтверждена исследованиями [16]. Установлена
12 высокая корреляция между частостями появления ошибок при приеме дискретной информации и двоичных сигналов со значением ВИ, превышающим порог, составляющий 30...45% от длительности единичного элемента сигнала.
В [16] показано, что с ухудшением качества канала увеличивается дисперсия ВИ. Поэтому, если разбить все возможные состояния канала на ряд типовых и отслеживать изменение дисперсии ВИ во времени, то можно оценить текущее качество связи с высокой оперативностью.
Так как для узкополосных КС дробление двоичных посылок наблюдаются относительно редко [16], доля вызванных ими ошибок невелика. Основной причиной снижения верности принимаемой информации являются искажения краев двоичных знаков из-за действия различных помех, многолучевости, межканальной и межсимвольной помехи. Поэтому под термином ВИ в таких каналах обычно понимают краевые искажения телеграфных посылок.
Наиболее точно оценить верность можно при прямом контроле ошибок в приеме элемента двоичного сигнала либо кодовой комбинации [72]. Реализовать непосредственную регистрацию ошибок можно либо тестовыми методами, недостатки которых было указано выше, либо при использовании кода с обнаружением ошибок. Для этого необходимо определять число трансформированных кодовых комбинации на интервале контроля [72].
При кодовых бестестовых методах контроля поток выделяемых ошибок не является истинным, а может служить лишь некоторой ориентировочной оценкой верности. Однако необходимо учитывать, что если при декодировании кодовой комбинации была обнаружена хотя бы одна ошибка, то факт ее наличия является достоверным. Поэтому оценка вероятности появления обнаруживаемых кодовым методом ошибок на заданном интервале времени является достаточно точной, несмотря на то, что она будет изменяться от интервала к интервалу. Следует, однако, отметить значительную сложность схемной реализации кодовых методов и существенно меньшую их оперативность по сравнению с оперативностью контроля дискретного канала.
13 Существуют методы контроля [40, 55], которые занимают промежуточное положение между методами, основанными на контроле по ВИ и по кодовым структурам. Это методы, использующие для контроля определенную информационную структуру сигнала. Постоянство информационной структуры сигнала характерно: для кодов с постоянным весом [13, 20, 35]; для структуры сигнала в отдельном частотном канале частотно-временных сигналов; - при наличии одинаковых повторяющихся элементов образованных кодовыми последовательностями, такими как различные преамбулы [1,2]. Такие методы не требуют анализа передаваемой информации. Тем не менее обладают свойствами, близкими к методам контроля по тестовым последовательностям. Контроль по конечному продукту повышает достоверность контроля, поскольку проводится по элементам, уже подвергнутым действию мешающих факторов почти на всех этапах приема. Контроль в этом случае заключается в оценке параметров, измерение которых не требует значительных аппаратурных и программных затрат.
Проведенный анализ методов и устройств оценки качества нестационарного канала связи показывает существенные преимущества контроля качества КС в системе радиосвязи по вторичным статистическим характеристикам и, в частности, по характеристикам ВИ [23]. Их использование позволяет оперативно контролировать качество КС в процессе информационного обмена. Но эти методы не учитывают работу устройства принятия решения и судить о появлении ошибок приходится косвенно.
Применение методов контроля по информационной структуре проводится по сигналу, поступающему на декодер. Такой сигнал более близок к получателю информации. Однако этому методу в настоящее время не уделено достаточное внимание.
Цель работы: создание устройств контроля качества канала связи, необходимых для реализации адаптивных алгоритмов обработки сигналов в дис-
14 кретных системах связи, функционирующих в условиях изменяющейся поме-ховой обстановки и программно-аппаратных ограничениях.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: разработка математической модели функционирования дискретной системы связи, работающей в условиях изменяющейся помеховой обстановки и программно - аппаратных ограничениях; исследование помехоустойчивости алгоритмов приема дискретных сигналов с различными видами модуляции при применении приемных устройств с ограниченным динамическим диапазоном при воздействии сосредоточенных по спектру помех большого уровня и синтез адаптивных алгоритмов приема сигналов; разработка анализаторов качества канала связи для оценки его состояния; исследование связи между энергетическими характеристиками сигнала и помех с изменениями в весовой структуре принимаемого сигнала, с различными видами модуляции; локализация влияния сосредоточенных по спектру помех большого уровня при приеме; оценка влияния достоверности контроля за состоянием канала связи на эффективность алгоритмов приема дискретных сигналов; имитационное моделирование разработанных устройств контроля качества канала связи; внедрение предлагаемых технических решений во вновь разрабатываемые системы связи.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на решении стохастических дифференциальных уравнений в пространстве состояний, теории вероятностей, математической статистики и теории проверки статистических гипотез. Экспериментальные исследования проводились путем
15 имитационного моделирования на моделях, адекватных реальной помеховой обстановке и натурных испытаниях изделий, использующих предложенные технические решения.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена сопоставлением синтезированных оптимальных алгоритмов оценивания дискретных сигналов и экспериментальной проверкой основных теоретических выводов и положений, а также внедрением результатов исследований в образцы новых средств связи. Техническая работоспособность созданных оригинальных устройств контроля состояния канала связи установлена в результате технической диагностики анализаторов качества канала связи и имитационного моделирования.
На защиту выносятся теоретические разработки и технические решения по созданию адаптивных алгоритмов и устройств приема дискретных сигналов, в том числе: математическая модель дискретной системы связи, функционирующей в нестационарном канале связи; алгоритмы приема дискретных сигналов с различными видами модуляции при ограниченности динамического диапазона радиоприемного устройства и при воздействии сигналов большого уровня; - структурные схемы анализаторов качества канала связи с управляемыми порогами; исследования влияния вероятностей ошибок в канале связи на информационную структуру сигнала; локализации воздействия сосредоточенных по спектру помех высокого уровня на радиоприемное устройство; влияние погрешностей анализаторов качества канала связи на оптимальные методы приема сигналов; научно-обоснованные технические решения, использованные при создании оригинальных устройств контроля качества канала связи, программно-аппаратная реализация устройств приема сигналов с оценкой качества канала связи.
Научная новизна работы заключается в следующем: разработана математическая модель дискретной системы связи в виде системы стохастических дифференциальных уравнений в пространстве состояний, учитывающих структуру главного тракта радиоприемного устройства и воздействия помех различного вида; определены предельные возможности алгоритмов приема сигналов с учетом ограниченного динамического диапазона радиоприемного устройства при воздействии сосредоточенных по спектру помех большого уровня; предложено использование для контроля состояния канала связи структурных особенностей информационного сигнала, позволяющего получить интегральную оценку качества канала связи, учитывающую как воздействие помех в канале связи, так и неидеального функционирования тракта радиоприемного устройства; разработан алгоритм локализации воздействия сосредоточенных по спектру помех большого уровня; исследовано влияние отношения сигнала к шуму на изменение весовой структуры сигнала в различных видах демодуляторов; предложены оригинальные схемы анализаторов качества КС, использующих принцип сравнения веса принятых кодовых посылок с их априорным значением.
Практическую ценность представляют: полученные алгоритмы приема дискретных сигналов, удовлетворяющие заданным требованиям защиты от внешних воздействий, и минимизирующие ошибку приема; устройства контроля качества, использующие структуру информационного сигнала для снятия априорной неопределенности по помеховой обстановке; результаты имитационного моделирования и экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность предложенных и реализованных алгоритмов и устройств.
Реализация и внедрение работы. Результаты работы используются на ОАО «Сарапульский радиозавод», ЗАО «СРЗ-БАРС», в учебном процессе
17 Ижевского государственного технического университета в лекционном курсе «Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры», при курсовом и дипломном проектировании. Аппаратура, разработанная на основе результатов диссертационной работы, внедрена и успешно эксплуатируется в составе изделий «Ольхон-С» и «Ольхон-СМ».
Диссертационная работа основана на результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных по постановлению Правительства РФ, приказам министерства промышленности средств связи СССР, по планам НИОКР Министерства образования РФ, научно-технической программе «Промышленные технологии» (раздел «Электроника», подраздел «Применение микропроцессорной техники»), научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма «Электроника», раздел «Радиоэлектронные компоненты и устройства»).
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на: Второй республиканской научной конференции молодых ученых «Молодые ученые Удмуртии - народному хозяйству» [57]; Всесоюзной научно-технической конференции «Конст-рукторско-технологическое обеспечение качества микро и радиоэлектронной аппаратуры при проектировании и в производстве» [14]; Всесоюзной научно-технической конференции «Информационные методы повышения эффективности и помехоустойчивости радиосистем связи» [40]; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» [2]; Третьей международной научно-технической конференции «Электроника и информатика» ; Научно-технических конференциях и семинарах ИжГТУ (1980-2001г.). Разработанные с участием автора устройства контроля состояния канала связи и оценки цифровых сигналов, устройства моделирования, неоднократно отмечались дипломами победителя Республиканского конкурса на звание «Лауреат премии НТО Удмуртии» (1982-1987 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 27 научных работ, в том числе 2 статьи в научно-технических сборниках; 6 тезисов докладов на Всесоюзных, российских и международных научно-технических конференциях и семинарах. Новизна технических решений, предложенных автором, защищена 18 авторскими свидетельствами СССР на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Объем и результаты проделанной работы отражаются в диссертации, состоящей из введения, четырех глав, заключения и приложений.
Введение содержит анализ научно-технической информации по теме диссертационной работы, обоснование актуальности темы, формулировку целей и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.
В первой главе проведен анализ KB канала связи, выявлены основные причины, приводящие к ухудшению приема. Разработана математическая модель дискретной системы связи в виде системы стохастических дифференциальных уравнений в пространстве состояний, учитывающая структуру главного тракта радиоприемного устройства и действие помех различного вида. Используя непрерывную модель канала связи, учитывающую нелинейность главного тракта приема, разработана модель дискретного канала связи. Расширение вектора состояния произведено за счет введения дискретного параметра, изменяющегося в соответствии с одношаговой матрицей перехода. Синтезирован оптимальный по критерию минимума вероятности ошибки алгоритм приема дискретного сигнала. Рассмотрена возможность контроля КС по структуре информационного сигнала. Найдена связь между вероятностями ошибки по единичным и нулевым элементам сигнала и искажениями веса кодовых групп. В качестве меры отличия апостериорного распределения веса кодового вектора от его априорного значения предложено использовать расстояние Бхаттачария. Проведена оценка влияния вероятностей ошибок по единичным элементам на отклонение параметров апостериорного и априорного распределений.
Вторая глава посвящена разработке алгоритмов разрешения априорной неопределенности в дискретных каналах связи при применении контроля качества КС. Синтезированы алгоритмы приема дискретных сигналов для различных видов модуляции при воздействии флуктуационных и сосредоточенных помех, а также учтена нелинейность передаточной характеристики приемного тракта. Получены структуры оптимальных приемников. Получены зависимости для расстояния Бхаттачария, отклонения первого и второго начальных моментов и среднего квадрата отклонения веса от его априорного значения для сигналов с различными видами модуляции и различными демодуляторами.
Третья глава посвящена применению устройств контроля по информационным параметрам сигнала. Рассмотрена возможность адаптации порога при оценке качества канала связи, приводящая к снижению времени, необходимого для получения оценки качества канала и повышающего ее достоверность. Исследовано влияние погрешности анализатора качества канала связи на помехоустойчивость адаптивного приема дискретных сигналов. Проведен анализ возможности локализации влияния динамического диапазона радиоприемного устройства на качество приема. Рассмотрена реализация других оригинальных устройств контроля состояния канала связи, техническая новизна которых защищена авторскими свидетельствами на изобретение.
В четвертой главе рассматриваются вопросы практической реализации и экспериментальных исследований разработанного при участии автора приемника дискретных сигналов с элементами адаптации по информационному сигналу. Рассмотрена программно-аппаратная реализация приемника сигналов МЧТ-4000 с адаптивной цикловой синхронизацией и адаптивной регулировкой усиления. Проведено исследование построения амплитудно-фазового корректора квадратурных составляющих сигнала. Разработана структурная схема для проведения имитационного моделирования устройств контроля.
В заключение перечислены основные результаты диссертационной работы.
20 В приложениях приведены расчеты анализа качества канала по информационной структуре сигнала. Показаны зависимости влияния выбора порога в решающей схеме на отклонение первого и второго начальных моментов и среднего квадрата отклонения веса от его априорного значения для различных видов модуляции. Приведены результаты имитационного моделирования для устройств контроля качества канала связи по весовой структуре сигнала.
Разработка математической модели системы связи
Для математического описания модели воспользуемся методом марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации, разработанной Р.Л. Стратонови-чем [91]. Среди других методов он является наиболее удобным для использования в радиотехнических системах. Метод предполагает описание системы связи матричными дифференциальными уравнениями состояния и наблюдения [59, 83]. Информационные сообщения хс (t) в системах связи в большинстве случаев можно представить марковскими случайными процессами [31, 32, 79, 95, 115]. Положим, что: 1. процесс xc(t) стационарен; 2. гауссовый; 3. спектр процесса рациональный и приближается к нулю на высоких частотах. На практике эти ограничения обычно выполняются [95]. При наложенных выше ограничениях информационный процесс в модели может быть задан матричным дифференциальным уравнением [79, 95]: Параметр у/01 равен ширине одностороннего энергетического спектра сообщения xc(t) на уровне 0,5 от максимального значения.
В соответствии с [96] стационарная плотность вероятности гауссового процесса имеет нулевое среднее значение и дисперсию: Модулятор производит над сообщением xc(t) преобразование без запоминания S0[t: xc(t)J. Положим что в модели, кроме полезного сигнала S0[t : xc(t)], на вход приемника действуют аддитивно взаимодействующие между собой и полезным сигналом сосредоточенные по спектру помехи Si ft: xni(t)] мешающих станций большого уровня, несущих сообщения xm(t) и нормальный белый шум V(t) с нулевым математическим ожиданием и односторонней спектральной плотностью No. Будем считать сигналы и помехи узкополосными процессами в том смысле, что они удовлетворяют соотношению А/ « Aft где f, - некоторая средняя (несущая) частота сигнала; А/ - условная полоса частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Положим также, что функции Soft: xc(t)J и Sift : xni(t)] (/ = 1, к J интегрируемы в квадрате на интервале Т : г JS [t: хш(0]( что означает ограниченность энергии сигнала и узкополосных о помех. Преобразования St ft : xm(t)J определяется видом модуляции помехи мешающей станции. Случайный сигнал Нвх [? :X(t) , поступающий на вход приемника, можно записать в этом случае суммой: где: К- число ССП, попавших в полосу пропускания ФПС тракта приема сигналов; /и1 (і = О, К) - коэффициенты передачи канала сигнала (i=0) и ССП (i = \,K). Коэффициенты передачи pi, могут быть либо постоянными величинами, либо изменяющимися случайным образом в случае наличия замираний в канале связи. Замирания вводятся в модель расширением вектора состояния системы связи. Зададим помехи xm(t) (i = l,K) по аналогии с полезным сообщением xc(t) как реакции фильтров, определяющих спектры сообщений на возмущение нормальным белым шумом Wt(t) с нулевым математическим ожиданием и односторонней спектральной плотностью N,. Уравнение состояния композиции полезных сигналов и помех представим в виде матричного уравнения состояния
Прием сигнала со случайной фазой для замирающего сигнала и незамирающей помехи
Расчеты помехоустойчивости по (1.3.7, 1.3.8) приведены на рис. 2.3.8. Замирания сигнала задаются на графиках параметром D3 = —-; характеризующим глубину и скорость замираний. Анализ показывает, что вероятность ошибочного приема увеличивается при росте уровня ССП в канале связи, глубины и скорости замираний и уменьшении отношения сигнала к шуму q. Так при DJDnp =0; Д. =0,5; =100 град.; Д р=100 град.; вероятность ошибки равна 0,011. При увеличении DJDnp до 1,0 вероятность ошибки увеличивается до 2x10"3. При тех же значениях D,/Dnp, q, А(р и отсутствии замираний ( Д=0) ошибка фильтрации равна Р=1,5х10"2. То есть меньше в 2 раза. Дальнейшие исследования проведем для некогерентного демодулятора (рис. 2.3.9). Демодулятор состоит из фильтра (Ф), суммирующего и вычитающего устройств, амплитудных детекторов (АД), функционального преобразователя (ФП), образующего функцию решения и устройства формирования опорного напряжения (ФОН). В Приложении 1 получены зависимости для вероятности ошибки приема символа, расстояния Бхаттачария, отклонения первого и второго начальных моментов и среднего квадрата отклонения веса от априорного среднего для кодового вектора с весом 3 из7 от отношения сигнала к помехе и величины порога.
На рис. 2.3.10 приведены зависимости для вероятности ошибки в символе Ре, расстояние Бхаттачария DB, отклонения первого Ami и второго Ат2 начальных моментов и среднего квадрата отклонения веса от априорного среднего KV для сигнала свесом 3 из 7 для ФТ со случайной начальной фазой при наличии замираний от отношения сигнала к помехе и уровня порога. Характер зависимостей близкий к аналогичным зависимостям для когерентной ФТ. Информационным параметром в системах связи с относительной фазовой телеграфией (ОФТ) является разность фаз смежных посылок. Наблюдаемый процесс с учетом задержки на длительность Т0 одной из посылок становится двумерным и при действии двух сосредоточенных по спектру помех с амплитудами .: 9] - однородная цепь Маркова с известными абсолютными вероятностями Р} и Р2 состояний 6j(l)=\; в](2)= -\ и с известной матрицей одношаговых вероятностей перехода (2.3.3); 92(t) - однородная цепь Маркова с известными абсолютными вероятностями Pj и Р2 состояний 92(1) = 1; 92(2) =-1 и известной матрицей одношаговых вероятностей перехода, задающая смену фазы между соседними посылками сигнала. VI (t), V2(t) -независимые шумы измерения, имеющие нулевые средние и равные ковариации Уравнения 1.3.7, 1.3.8 для рассматриваемого случая модулируются структурной схемой, приведенной на рис.2.3.11. Структурная схема оптимального приемника сигналов ОФТ содержит линию задержки (ЛЗ), устройство выделения разности фаз (УВРФ), решающее устройство (РУ), опорный генератор (ОГ), подстраиваемый сигналами КОСФ и блок компенсации случайной фазы, который формирует управляющий сигнал фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Весовые коэффициенты определяются нелинейностью приемного тракта (ТПС) и сигналами анализатора качества канала связи (АККС).
Учет погрешности анализатора качества канала связи на помехоустойчивость адаптивного приема сигналов
В главе 2 проведен синтез оптимальных алгоритмов обработки дискретных сигналов и получены выражения для вероятностей ошибочного приема при амплитудной, частотной и фазовой телеграфии. Однако реализация полученной предельной помехоустойчивости в большинстве случаев затруднительна. Дело в том, что синтезированные алгоритмы являются адаптивными. Для их нормального функционирования необходимо знание помеховой обстановки в каждый момент времени, в частности, задание отношения сигнала к шуму и уровня узкополосных помех в полосе пропускания фильтра предварительной селекции приемного тракта. Функции измерителя помеховой обстановки выполняет ана лизатор качества канала связи, являющийся одним из основных элементов адаптации. Анализатор измеряет помеховую обстановку с некоторой погрешностью, что приводит к невозможности достижения потенциальной помехоустойчивости. В связи с этим возникает необходимость оценки помехоустойчивости устройств обработки цифровых сигналов при наличии ошибок АККС. Для решения поставленной задачи воспользуемся алгоритмом анализа ошибок и чувствительности алгоритмов приема сигналов [79]. При определенных ограничениях и допущениях [59, 79], ковариационная матрица ошибок удовлетворяет системе матричных дифференциальных уравнений: Результаты решения уравнений (1.3.7, 1.3.8, 3.1-3.3) численными методами для амплитудной, частотной, фазовой телеграфии и относительной фазовой телеграфии для случая неточного измерения отношения сигнала к шуму g, приведены в Табл. 3.1. Анализ показывает, что увеличение погрешности измерения параметра g приводит к росту вероятности ошибочного приема для рассмотренных видов манипуляции. Так, для фазовой телеграфии при 5g = 0,7g =3,Дф = 100 вероятность ошибки Р =0,011. При увеличении 8g до 0,3 вероятность увеличивается до Р = 0,056 или в 5,1 раза. Для амплитудной теле графии вероятность ошибки увеличивается при том же изменении 5g в 2,8 раза, для частотной телеграфии - в 11,3 раза. Непосредственное измерение параметров, характеризующих помеховую обстановку, создает значительные трудности при аппаратурной реализации АККС особенно в тех случаях, когда на проектируемую аппаратуру связи накладываются жесткие ограничения на вес и габариты. Выходом из создавшегося положения является использование косвенных измерений, в частности, основанных на информационной структуре сигнала. Одной из главных причин погрешностей измерений состояния канала является ограниченность объема выборки. В разделе 2 исследовано влияние нелинейности главного тракта радиоприемного устройства на вероятность ошибки приема символа при действии сосредоточенных по спектру помех большого уровня. На рис.2.1.3 показана зависимость вероятности ошибочного приема символа для когерентного AT от отношения сигнала к шуму и нелинейности тракта. Приведенные зависимости показывают численные значения вероятности ошибки приема символа приемными устройствами с различными динамическими диапазонами. Так для отношения сигнала к шуму равному 3 увеличение Dy/Dnp с 0 до 1 приводит к увеличению вероятности ошибки приема символа в 3,1 раза. Аналогичное влияние ССП наблюдается и для других видов модуляции. Эти результаты использованы в устройстве [133] для локализации воздействия сосредоточенных помех большого уровня на приемное устройство. На рис. 3.20 изображена структурная схема устройства для анализа качества канала связи с локализацией влияния на радиоприемное устройство ССП большого уровня. Анализ качества канала связи проводится по информационной структуре сигнала. Для локализации влияния ССП устройство содержит наряду с основным приемным трактом 7 дополнительный приемный тракт 8, отличающийся от основного только значением нелинейности. Работа устройства основана на подсчете единичных посылок и сравнении их с заданным числом. Одновременно с анализом качества канала после основного тракта приема проводится сравнение таких же посылок на выходе вспомогательного тракта приема. Если количество несовпадений велико (при низком качестве приема в основного тракте), то наиболее вероятной причиной этого являются нелинейные искажения в приемной аппаратуре из-за наличия сигналов мешающих станций большого уровня.
Применение разработанных анализаторов качества канала связи для адаптации системы цикловой синхронизации
Для определения моментов времени принятия решения о принятой матрице используется схема цикловой синхронизации, структурная схема которой показана на рис. 4.10. Схема цикловой синхронизации работает в двух режимах: режиме поиска синхронизма и поддержания синхронизма. Режим поиска синхронизма используется при включении режима приема сигнала МЧТ-4000 и в случае потери синхронизма. В остальных случаях работает режим поддержания синхронизма.
Схема цикловой синхронизации использует выходной сигнал анализатора состояния отдельного частотного канала. Поскольку прием ЧВМ осуществляется суммированием сигналов, получаемых в частотных каналах в соответствии с их временным распределением, то поражение любого из частотных каналов помехой большого уровня приводит к снижению различимости разрешенных матриц и увеличивает вероятность ошибки правильного приема. Для снижения влияния пораженного канала на работу решающего устройства и на систему цикловой синхронизации его можно не использовать. Для анализа состояния частотного канала используются анализаторы, исследованные в разделе 3. Определение порогов проводится на основе зависимостей, полученных в разделе 2 (Рис 2.1.12), так как в отдельном частотном канале анализируется сигнал AT и весом 1 из 4.
Система синхронизации построена следующим образом. Временная ось разбивается на окна, равные длине матрицы. В каждом окне проводиться поиск максимума и запоминается его положение относительно конца окна. Полученные значения сравниваются между собой. При их совпадении на протяжении m соседних окон принимается решение о наличии синхронизации и для устройства декодирования выставляется флаг, говорящий о наличии синхронизма. После этого устройство цикловой синхронизации переходит в режим поддержания синхронизма. Если в дальнейшем количество окон, содержащих повторяющийся максимум на заданном отсчете снизится до п, флаг наличия синхронизации будет снят и устройство цикловой синхронизации перейдет в режим поиска синхронизма. Необходимость режима поддержания синхронизма вызвана тем, что положение матриц зависит от стабильности и точности настройки опорных генераторов для приемной и передающей сторон, которые могут отличаться друг от друга. Для устранения этого рассогласования проводится коррекция внутренней временной оси под внешнею временную ось, определяемую положением максимумов в принимаемой последовательности.
Невозможность буферизации больших объемов информации заставляет проводить определение положения максимума в реальном времени. Поиск максимального значения ведется одновременно с подсчетом обработанных отсчетов. После обработки числа отсчетов, равного длине матрицы, на устройство принятия решения выдается номер такта, где был найден максимум и номер матрицы, которой принадлежит этот максимум. Со следующего текущего отсчета начинается новое окно, счетчик обнуляется и цикл повторяется. Поиск максимального значения внутри окна можно представить алгоритмом:
Сигналы полосовых фильтров с каждого частотного канала поступают через ключи на устройство вычисления среднего уровня сигнала в зависимости от количества выбранных каналов. Управление ключами и устройством вычисления среднего уровня выполняется анализатором качества канала. Для этого анализатор проводит оценку качества каждого частотного канала и в зависимости от их состояния выбирает каналы для регулировки усиления. Процесс вычисления среднего значения можно представить следующим алгоритмом: /С — 1 где: Х-1 (п) - k-ът отсчет снимаемый с детектора п-го канала (n=l.. .4); N- длина интервала усреднения; S{ - О если канал плохой, и 1 если хороший; SW- число каналов выбранных для регулирования; Y- усредненное значение уровня сигнала, используемое для регулирования. Сигнал с выхода вычислителя среднего значения сравнивается с порогом ІІзад. Если порог превышен, то сигнал передается на дальнейшую обработку; если не превышен, то его значение заменяется на ноль. Сформированный сигнал поступает на ФНЧ и через усилитель - ограничитель на регулятор усиления тракта ПЧ. Сигнал с выхода ФНЧ также поступает на пороговые элементы регуляторов входного аттенюатора и аттенюатора тракта УВЧ. Пороги Unh Un2, Un3 и U„4 выбираются таким образом, чтобы обеспечить внесение затухание последовательно входным аттенюатором и аттенюаторами трактов УВЧ и УПЧ. Уменьшение затухания проводится в обратном порядке. Внутри ступеней регулирования, имеющих большую инерционность, регулирование осуществляется плавным регулятором тракта ПЧ, имеющим небольшую инерционность. Такое распределение усиления обеспечивает поддержание отношения Dn/Dnp всегда на высоком уровне для текущего уровня сигнала, тем самым снижая влияние нелинейности приемного тракта на помехоустойчивость. Наличие анализаторов качества практически исключает регулирование усилением по помехе.
