Содержание к диссертации
Введение
1. Сравнительный анализ методов повышения помехоустойчивости систем мобильной радиосвязи
1.1. Состояние вопроса 10
1.2. Методы подавления узкополосных помех 19
2. Разработка алгоритма работы блоков защиты от помех в системах подвижной радиосвязи
2.1. Общие замечания 26
2.2. Источники и характеристики помех в системах подвижной радиосвязи 27
2.3. Математическое описание сигналов и помех 38
2.4. Синтез алгоритма работы блока защиты от помех 46
3. Исследование эффективности блока защиты от помех на основе цифрового обеливающего фильтра .
3.1. Общие замечания 60
3.2. Анализ помехоустойчивости алгоритма приема сигналов с цифровым обеливающим фильтром 60
3.3. Моделирование на ЭВМ цифрового обеливающего фильтра 73
3.4. Моделирование цифровых алгоритмов спектрального оценивания узкополосных помех 75
3.5. Результаты моделирования различных способов цифрового подавления узкополосных помех 89
Основные результаты третьего раздела 101
4. Разработка и экспериментальное исследование опытного образца подавителя помех на основе цифрового обеливающего фильтра
4.1. Общие замечания 102
4.2. Выбор параметров аналого-цифрового преобразования 102
4.3. Описание структурной схемы цифрового блока защиты от помех 107
4.4. Стендовые испытания опытного образца цифрового блока защиты от помех 123
Основные результаты четвертого раздела 133
Заключение 134
Литература 138
Приложение 143
- Методы подавления узкополосных помех
- Источники и характеристики помех в системах подвижной радиосвязи
- Анализ помехоустойчивости алгоритма приема сигналов с цифровым обеливающим фильтром
- Выбор параметров аналого-цифрового преобразования
Введение к работе
Краткий анализ современного состояния проблемы. Защита систем связи различного назначения от радиопомех представляет собой одну из важнейших задач, возникающих как при разработке, так и при практическом использовании радиотехнических устройств. Данная проблема обусловлена, прежде всего, увеличением количества радиоэлектронных средств, одновременно работающих в эфире и разнообразием выполняемых ими задач. Вследствие этого резко возрос уровень взаимных помех систем радиосвязи. Помехи создаются также радиотехническими средствами других служб (радионавигация, радиолокация), промышленными установками, линиями электропередачи, электробытовыми приборами и т.д., это так называемые станционные и индустриальные помехи. Чтобы обеспечить нормальное функционирование аппаратуры радиосвязи в подобных условиях, в последние годы потребовалось большее внимание уделить проблеме электромагнитной совместимости. Задача защиты средств радиосвязи от радиопомех связана также с быстрым и эффективным развитием систем радиопротиводействия, используемых в системах связи специального назначения. Это так называемые преднамеренные помехи. Применительно к системам радиосвязи многообразие помех в общем случае можно представить в виде следующих основных компонент: широкополосная флуктуационная помеха (ФП), совокупность узкополосных (станционных) помех (УП), широкополосная импульсная помеха (ИП) и совокупность внутрисистемных, так называемых, структурно-подобных помех (СП).
Широкополосная флуктуационная помеха учитывает наличие собственных шумов приемника, атмосферных помех, шумов космического происхождения и др. Этот вид помех всегда присутствует в канале радиосвязи. Однако для него проблемы повышения помехоустойчивости приема решены в рамках классической теории оптимального приема.
Узкополосные (сосредоточенные по спектру) помехи (УП) представляют собой радиоизлучения (в том числе продукты нелинейности) систем, работающих в различных радиосетях, системах радионавигации, точного времени и других систем, создающих взаимные помехи. Интенсивность этих помех подчас оказывается чрезвычайно высокой вследствие перегруженности радиочастотного спектра. Основная мощность УП сосредоточена в отдельных, относительно небольших участках диапазона частот, как правило, существенно меньших полосы пропускания приемника. Такие помехи создаются сигналами посторонних радиостанций (вещательных, телевизионных, связных и т.п.). Воздействию УП особенно подвержены каналы связи в диапазонах длинных, средних и коротких волн, что является следствием условий особенностей распространения радиоволн в этих диапазонах. В настоящее время проблема защиты от этих помех становится актуальной и в более высокочастотных областях радиосвязи за счет широкого внедрения средств радиосвязи с подвижными объектами. Поэтому эффективность работы современных систем радиосвязи в значительной степени определяется не только замираниями и помехами типа флуктуационного шума, но и степенью защиты систем радиосвязи от воздействия УП.
Следующим основным фактором, оказывающим существенное влияние на помехоустойчивость приема информации в системах радиосвязи, являются импульсные помехи, вызванные грозовыми разрядами, системами зажигания автомобилей и другими источниками атмосферного и промышленного происхождения. Причем на частотах до 30 МГц преобладающими являются ИП атмосферного характера, а на частотах более 30 ... 40 МГц основные источники ИП имеют промышленный характер. Следует отметить, что в отличие от узкополосных помех, импульсные помехи относятся к классу широкополосных помех, так как их энергия сосредоточена в интервале времени, существенно меньшем длительности полезного сигнала. Причем в зависимости от происхождения импульсная помеха может быть представлена регулярной или случайной последовательностью мешающих импульсов.
Практическая реализация схем приема, оптимальных относительно ИП с неравномерной интенсивностью во времени, возможна только при известной форме помех. В такой постановке задача оптимального приема сигналов решалась многими авторами. В частности, в работах Финка Л.М., Теплова Н.Л. и других авторов показаны принципиальные возможности оптимального подавления импульсных помех, которые представляются моделью в виде бесконечного ряда Фурье.
Основной вывод, полученный в этих работах, заключается в том, что случайная природа происхождения импульсных помех исключает возможность получения предварительной информации об их форме. Отсюда следует, что требуемые сведения о форме ИП могут быть получены только путем измерения параметров ИП непосредственно в процессе приема сигналов. Другими словами, оптимальные алгоритмы приема сигналов в каналах радиосвязи с импульсными помехами принципиально должны быть адаптивными. Общей теории адаптивного подавления ИП не существует. Нет и исчерпывающих экспериментальных данных по сравнительной эффективности различных квазиоптимальных методов подавления импульсных помех. Для построения практических схем подавления ИП, как правило, используются сведения лишь об основных параметрах ИП: эквивалентная длительность помехи и ее положение на оси времени. Второй вывод, вытекающий из анализа известных исследований по подавлению ИП, заключается в том, что методы оптимального построения приемника в условиях воздействия импульсных помех в значительной мере противоречат оптимальному построению приемника при воздействии узкополосных помех. Сами авторы этих работ отмечают, что оптимального алгоритма построения приемника сигналов в условиях одновременного присутствия в канале связи разнородных помех (УП и ИП) в настоящее время не существует. До настоящего времени на практике используются компромиссные способы построения блока защиты приемника от одновременного воздействия этих помех, позволяющие ослабить влияние как импульсных, так и узкополосных помех.
Известно, что методы защиты от узкополосных и широкополосных помех (ШП) по своим принципам существенно различаются и поэтому блоки защиты от этих помех, как правило, описываются и реализуются раздельно. В литературе приводится довольно много методов и алгоритмов защиты от каждого вида этих помех. Однако эти алгоритмы сложны в реализации и находят ограниченное применение при практической реализации. Кроме того, все полученные алгоритмы предполагают защиту только от какого-то одного класса помех, либо узкополосных, либо импульсных, либо структурно-подобных помех. Практически же эти виды помех в канале радиосвязи всегда присутствуют одновременно. Проведенный автором краткий анализ показывает, что единой теории приема сигналов в каналах радиосвязи с комплексным воздействием всех вышеперечисленных видов радиопомех при полной априорной неопределенности помеховой обстановки в настоящее время не существует.
Постановка задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение помехоустойчивости систем мобильной радиосвязи при комплексном воздействии на канал связи различных типов помех с априорно неопределенными характеристиками и параметрами. Исходя из сформулированной цели, определен следующий круг подлежащих решению основных задач.
Разработка математической модели помеховой обстановки, адекватно отражающей характеристики реальных каналов радиосвязи.
Синтез адаптивных алгоритмов приема сигналов при комплексном воздействии различных типов помех с априорно неизвестными характеристиками и параметрами помеховой обстановки.
Теоретический и имитационный анализ помехоустойчивости, полученных адаптивных алгоритмов приема.
Разработка рекомендаций по практическому построению адаптивных блоков защиты от помех в мобильных системах радиосвязи.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался математический аппарат теории статистической радиотехники, теории статистических решений, численного анализа, а также методы вычислительной математики и статистического моделирования на ЭВМ. Для подтверждения полученных теоретических результатов выполнены экспериментальные исследования на действующих опытных образцах блоков защиты от помех.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке новых методов адаптивного приема сигналов, отличающихся тем, что используемые в них алгоритмы подавления помех эффективно подавляют различные типы помех в условиях априорно неопределенной помеховой обстановки. 1. предложена модель помеховой обстановки для каналов мобильной радиосвязи, отличающаяся тем, что кроме сосредоточенных по частоте и по времени помех она учитывает и сосредоточенные по направлению помехи. Такая модель позволяет точнее отразить реальную помеховую обстановку при синтезе адаптивных алгоритмов приема.
2. Получены адаптивные алгоритмы приема сигналов, отличающиеся тем, что в них производится эффективное подавление одновременно нескольких типов помех без изменения структуры алгоритма приема.
Практическая значимость. Практическая ценность результатов работы заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований были положены в основу принципов технического проектирования блоков зашиты от помех систем радиосвязи и радионавигации, для радиоканалов с различными типами помех.
Дано теоретическое обоснование необходимости введения в структуру оптимального приемника адаптивного блока защиты от комплекса помех.
Даны рекомендации по практическому построению блока защиты от различных типов помех.
Сформулированы рекомендации по построению блока защиты от узкополосных помех в цифровом виде.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть полезными широкому кругу проектировщиков научно-исследовательских учреждений, занимающихся улучшением помехоустойчивости существующих и проектированием новых систем радиосвязи и радионавигации.
Реализация в промышленности России. Внедрение результатов работы осуществлено в виде выполнения хоздоговорных НИР и ОКР, проводимых при непосредственном участии автора по заданию ведущих НИИ России. В период с 1985г. по 2001г. были получены следующие практические результаты. Создан опытный образец мобильного стенда контрольных измерений и анализа помеховой обстановки для радионавигационной системы Лоран - С. Заказчик -Российский институт радионавигации и времени (ЛНИРТИ). Мобильный измерительный комплекс включал в себя анализатор помеховой обстановки, позволяющий обнаружить и классифицировать все, рассмотренные в данной работе помехи, а также систему аналоговых и цифровых подавителей всех обнаруженных помех. Опытный образец изделия прошел успешные испытания на полигоне заказчика в г. Великие Луки.
Созданы образцы цифровых микропроцессорных демодуляторов с адаптивным подавлением узкополосных помех, предназначенные для систем сухопутной радиосвязи. Заказчик - Воронежский НИИ связи. Действующие образцы макетов блоков защиты прошли успешные испытания на предприятии заказчика.
Разработаны научно-обоснованные рекомендации по построению блоков защиты от различных типов помех в системах морской, сухопутной и магистральной радиосвязи. Заказчик - Омский НИИ приборостроения. Отдельные результаты данных исследований внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики в лекционных, лабораторных и практических занятиях дисциплин профессиональной схемотехнической подготовки студентов: S радиоприемные устройства; S устройства приема и обработки сигналов; S схемотехническое обеспечение средств связи с подвижными объектами; S проектирование и техническая эксплуатация радиотехнических устройств. Отдельные схемотехнические вопросы диссертационной работы детально прорабатываются студентами в рамках курсового и дипломного проектирования.
Практическое использование основных результатов диссертации подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 6 Международных, 1 Всесоюзной, 3 Российских, 2 Областных Научно-технических конференциях. Основные результаты работы получены при выполнении плановых хоздоговорных НИР и ОКР и опубликованы в 5 научно-технических отчетах.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, в том числе: 5 статьях; 10 тезисах и материалах докладов на конференциях; 5 научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной материал изложен на 141 странице машинописного текста, а также включает в себя 46 иллюстраций и 5 таблиц. Список литературы содержит 60 наименований. В приложениях приведены документы о внедрении и использовании результатов исследований.
Основные положения, выносимые на защиту: математическая модель помеховой обстановки в каналах радиосвязи, включающая в себя узкополосные, широкополосные и структурно-подобные помехи, позволяющая адекватно отразить реальную помеховую обстановку в мобильных каналах радиосвязи; адаптивные алгоритмы приема сигналов, позволяющие повысить помехоустойчивость систем мобильной радиосвязи в каналах с комплексным воздействием различных типов помех с априорно неопределенными параметрами.
Краткое содержание работы. Структура диссертации соответствует логике исследования методов повышения помехоустойчивости приемников сигналов и методов подавления помех.
Во введении приводится краткий анализ современного состояния проблемы, формулируется постановка задачи исследования и основные направления работы, рассматривается структура диссертации.
В первой главе анализируется современное состояние решения проблемы защиты мобильных систем радиосвязи от узкополосных и широкополосных помех. Кратко излагаются основные из известных методов защиты от помех. Приводятся рекомендации МККР по мерам защиты от помех в мобильных системах радиосвязи.
Во второй главе основное внимание уделено синтезу адаптивных алгоритмов приема сигналов с подавлением помех применительно к мобильным системам радиосвязи. Для этого вначале рассматриваются основные источники и характеристики помех в подвижных системах радиосвязи и теоретически обосновывается модель помеховой обстановки для исследуемых каналов радиосвязи. Затем, на основе хорошо разработанного эмпирического байесовского подхода синтезируются требуемые адаптивные алгоритмы приема. В качестве метода подавления помех выбран метод "обеливания" спектра входного сигнала.
В третьей главе проводится теоретическое и экспериментальное исследование помехоустойчивости синтезированных адаптивных алгоритмов приема сигналов, а также эффективности подавления помех в мобильных системах радиосвязи. Анализ помехоустойчивости выполнен методами теории статистических решений с учетом применяемой процедуры "обеливания" помех на входе решающего устройства. Эксперимент выполнен путем моделирования на ЭВМ различных алгоритмов подавления помех. Приводятся экспериментально полученные сравнительные характеристики исследуемых алгоритмов подавления помех.
В четвертой главе разработаны практические рекомендации по проектированию цифровых блоков защиты от помех для мобильных систем радиосвязи. Дается анализ результатов стендовых испытаний опытных образцов цифровых подавителей помех.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:
Получены адаптивные алгоритмы приема сигналов с подавлением различных типов помех на основе адаптивного цифрового обеливающего фильтра. Отличительной особенностью структуры оптимального приемника, вытекающей из полученных автором алгоритмов приема, является ее единство с точки зрения воздействия на приемник различных типов помех и их подавления, а также влияние фильтра основной избирательности приемника на степень подавления помех. Применение полученных алгоритмов приема позволяет повысить помехоустойчивость мобильных систем радиосвязи в условиях реальной помеховой обстановки с наличием в канале радиосвязи одновременно нескольких типов помех с априорно неопределенными параметрами.
Получен алгоритм, составлена структурная схема и выполнена опытно конструкторская работа по созданию цифрового адаптивного устройства подавления различных типов помех. Проведенное статистическое моделирование цифрового обеливающего фильтра подтвердило высокую эффективность предложенных алгоритмов подавления помех. В результате этой работы показано, что использование цифрового обеливающего фильтра позволяет существенно повысить помехоустойчивость радиосвязи в каналах с одновременным присутствием нескольких типов помех.
Выработаны рекомендации по практическому построению эффективных блоков защиты радиоприемников мобильных систем радиосвязи, рабо- тающих в сложной помеховой обстановке. Показано, что оптимальная структура блока защиты от помех включает в себя последовательное соединение подавителя импульсных помех, фильтра основной избирательности приемника и блока защиты от узкополосных помех. Такое построение блока защиты позволяет существенно повысить помехоустойчивость приема сигналов за счет учета влияния на приемник сигналов одновременно нескольких типов помех.
Предложены варианты технической реализации разработанных алгоритмов подавления различных типов помех с использованием современной микропроцессорной схемотехники. Это дает возможность реализовать эффективные блоки защиты от реального комплекса помех для существующих и вновь разрабатываемых систем мобильной радиосвязи.
В приложениях приведены акты внедрения результатов диссертационной работы в промышленность России и в учебный процесс СибГУТИ.
Методы подавления узкополосных помех
В широкополосных системах связи подавление узкополосных помех применяется достаточно давно [1]. При этом возможно применение двух методов подавления узкополосных помех: компенсация и режекция.
Компенсация, обеспечивает подавление узкополосных помех без искажения полезного сигнала. Однако в этом случае приходится решать достаточно сложные вопросы амплитудной и фазовой автоподстройки, причем в условиях воздействия на цепь автоподстройки полезного для нас сигнала, но который является мешающим для цепи автоподстройки. При работе компенсатора помех, система автоподстройки компенсатора принимает в качестве исходного сигнала для компенсации не чистый сигнал помехи, а сумму узкополосного сигнала помехи и частотных составляющих полезного сигнала, попавших в полосу пропускания системы автоподстройки компенсатора. А это значит, что частотные составляющие, попавшие в полосу захвата цепи фазовой автоподстройки компенсатора узкополосных помех будут также скомпенсированы. И, следовательно, в этом случае компенсация помех слабо отличается от режекции узкополосных помех. Все известные реальные системы компенсации обеспечивают подавление узкополосных помех не более чем на 40 dB. Устройства режекции узкополосных помех позволяют подавить узкополосные помехи на 60 dB и более [59, 60]. Учитывая все вышесказанное, а также значительно более высокую стоимость устройств компенсации узкополосных помех, системы компенсации узкополосных систем не вышли за рамки лабораторных исследований.
В отличие от компенсации помех режекция узкополосных сигналов находит широкое применение в реальных системах телефонной и радио связи, радиолокации и радионавигации. При этом в основном определились два способа режекции сигнала: а) режекция фиксированного количества узкополосных помех при по мощи N перестраиваемых узкополосных фильтров (смотри рисунок 1.4); б) режекция узкополосных помех при помощи отключаемых фильтров.
Суть этого метода заключается в разделении общей полосы принимаемого сигнала на ряд полос с более узкой полосой пропускания (смотри рисунок 1.5).
Оба этих способа подавления помех продолжают оставаться основными и до настоящего времени. Различается только схемотехническая реализация этих методов. Рассмотрим сначала способ режекции фиксированного количества узкополосных помех при помощи N перестраиваемых узкополосных фильтров.
Аналоговые узкополосные фильтры представляют собой набор LC-фильтров пробок, каждый из которых может независимо настраиваться по частоте. Так как такие фильтры имеют значительные габариты, и каждый из фильтров вносит затухание, то количество последовательно включенных фильтров - пробок редко может превысить десять штук. Стоимость такого фильтра тоже очень высока из-за применения катушек индуктивности [37, 58].
Кроме того, при изменении частоты настройки таких фильтров очень трудно получить стабильные параметры режекторных фильтров. При автоматической настройке режекторного фильтра на частоту помехи одновременно изменяется полоса пропускания фильтра и соответствующая ей глубина подавления помехи. Поэтому в ряде случаев вся полоса принимаемого сигнала разбивается на два или более поддиапазона, а диапазон перестройки группы таких фильтров ограничивается границами поддиапазона.
По этой же причине сложность фильтра ограничивается вторым порядком, то есть один такой фильтр реализовывается на одном LC контуре и, следовательно, может обеспечить только один ноль в передаточной характеристике устройства подавления сосредоточенных по спектру помех.
В настоящее время широкое распространение получили фильтры на основе цифровых сигнальных процессоров. При этом для формирования нулей в амплитудно-частотной характеристике наилучшим образом подходит фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ - фильтр). Для формирования одного нуля в АЧХ достаточно фильтра с двумя элементами задержки. Одним из достоинств таких фильтров является легкость их перестройки с одной частоты на другую. Реализация этих фильтров может быть различной от реализации таких фильтров на ПАВ до реализации этих фильтров в цифровом виде на сигнальном процессоре [21, 41].
Отключаемые фильтры тоже могут строиться на основе LC фильтров. Только в этом случае применяются не фильтры пробки, а узкополосные полосовые фильтры [37, 38].
При этом, в отличие от перестраиваемых фильтров, здесь можно применить более сложные схемы полосовых фильтров, обеспечивающие большую прямоугольность и, как следствие, более эффективное подавление мешающих сигналов. Такая схема подавления помех, как правило, сложнее схемы с перестраиваемыми режекторными фильтрами. Кроме того, при настройке такой схемы возникают сложности с восстановлением первоначально разбитого на отдельные полосы полезного сигнала.
По той же причине, что и в случае с режекторными фильтрами от применения LC фильтров в настоящее время отказываются [49, 57]. При реализации полосовых фильтров в цифровом виде наиболее подходящей структурой являются фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ - фильтры). Именно такие фильтры наиболее простым образом позволяют реализовы-вать полюсы передаточной функции [21].
Распространение КИХ-фильтров связано с их способностью подавлять не только мешающие сигналы, но и корректировать амплитудно-частотную характеристику тракта распространения сигнала. При этом надо отметить, что под мешающими сигналами понимаются не только узкополосные помехи, но и полезный сигнал, отраженный от различных препятствий, и вследствие этого приходящий в различные моменты времени, а также отраженный от каналооб-разующей аппаратуры или препятствий эхо сигнал своего передатчика.
Чаще всего устройства защиты от помех применяются перед решающими устройствами приемников цифровых сигналов, которые чувствительны к фазовым искажениям сигнала, так как схемы, предназначенные для подавления помех, могут также осуществлять коррекцию АЧХ и ФЧХ тракта распространения сигнала [21].
Источники и характеристики помех в системах подвижной радиосвязи
В основе моделирования реальной помеховой обстановки в канале связи лежит компромисс между стремлением наиболее полно отразить реальный сигнал и стремлением получить практически реализуемое решение задачи синтеза информационной системы. Для решения этой задачи рассмотрим основные характеристики реальных каналов радиосвязи и источники естественных помех в них.
Характеристики каналов радиосвязи, с точки зрения помеховой обстановки в них, рассмотрим на примере систем подвижной радиосвязи гражданского и специального назначения. Характеристики таких систем наиболее полно отражают особенности всех существующих систем радиосвязи, в том числе и стационарных, магистральных каналов радиосвязи.
Характеристики каналов систем радиосвязи определяются в первую очередь условиями распространения радиоволн и условиями распространения, воздействующих на эти каналы помех. Проведя классификацию систем подвижной радиосвязи по назначению, можно одновременно классифицировать каналы систем радиосвязи и построить их математические модели, отражающие условия распространения сигнала и характеристики действующих на сигнал помех. Согласно принятой классификации, системы радиосвязи делятся на сухопутные, морские и воздушные, то есть системы радиосвязи, обслуживающие подвижные объекты, находящиеся на суше, море и в воздухе. Подвижные объекты характеризуются рядом параметров, влияющих на прием сигналов, а именно скоростью передвижения в пространстве и удаленностью от базовой станции, которые необходимо учитывать при анализе помеховой обстановки в радиоканале.
В системах морской и воздушной подвижной радиосвязи обычно используются диапазоны средних и коротких волн, которые имеют большую дальность распространения. Это определяется практически неограниченным радиусом действия судов морского флота и самолетов гражданской авиации. Эти же диапазоны частот обычно используются и в системах радионавигации судов и самолетов морской авиации. В последнее время в этих системах подвижной радиосвязи стали широко использоваться и системы радиосвязи, работающие в диапазоне СВЧ через ретрансляторы, установленные на борту ИСЗ. Для судов каботажного плавания и самолетов местных авиалиний часто используется диапазон ультракоротких волн.
Экспериментальные исследования ряда авторов [22...25] показали, что кроме существующих во всех диапазонах частот тепловых шумов для диапазонов длинных (ДВ), средних (СВ) и коротких волн (KB) наиболее характерны помехи от мешающих радиостанций, а также импульсные помехи от грозовых атмосферных разрядов. Кроме того, в диапазоне СВ и KB имеют место замирания сигналов, связанные с многолучевостью распространения радиоволн.
Особенностью приема сигналов систем связи, в состав которых входят подвижные объекты, является наличие эффекта Доплера. Этот эффект обусловлен скоростью перемещения подвижных объектов в пространстве. Величина сдвига частоты приема относительно номинального значения (эффект Доплера) зависит от скорости перемещения приемника и передатчика относительно друг друга.
Системы сухопутной подвижной радиосвязи в настоящее время работают в УКВ диапазоне. По характеру помеховой обстановки указанные системы можно разделить на две группы: работающие в сельской местности и в условиях города. Особое место занимает радиосвязь, обслуживающая железнодорожный транспорт. Помеховая обстановка наиболее благоприятна для систем радиосвязи, используемых в сельской местности и на железнодорожном транспорте, где кроме тепловых шумов на приемник обычно воздействуют только импульсные помехи от систем зажигания автомобилей, другого электрооборудования или контактных устройств электротранспорта.
Наиболее сложная помеховая обстановка наблюдается в городских системах сухопутной подвижной радиосвязи, которые должны функционировать с требуемым качеством в условиях воздействия на них комплекса помех, в том числе от других средств радиосвязи и от систем зажигания автомобилей. Уровень помех от систем зажигания автомобилей особенно вблизи автомагистралей достаточно высок [24, 25, 27]. Кроме того следует отметить глубокие замирания полезного сигнала и помех, вызванные многолучевостью распространения.
Рассмотрим классификацию всех источников электромагнитных помех, определяющих помеховую обстановку в различных диапазонах частот для систем подвижной радиосвязи. Она показана на рисунке 2.1. Как видно из рисунка, все источники помех можно классифицировать по признаку происхождения: естественные и искусственные. В свою очередь все источники естественного происхождения можно разделить на две категории: - Земные (источники атмосферного происхождения); - космические (источники, находящиеся за пределами земли). Источники помех космического происхождения более стационарны и в большинстве случаев по своим характеристикам близки к белому шуму с ограниченной шириной полосы частот. При отсутствии искусственных помех, реальная чувствительность большинства приемников, работающих на частотах ниже 300 МГц, ограничивается уровнем естественных помех. Однако, в густо населенных районах, в городских условиях, большое влияние на помехоустойчивость систем радиосвязи оказывают искусственные помехи.
Примерное распределение интенсивности искусственных и естественных помех по диапазонам частот показано на рисунке 2.2 [20].
Анализ помехоустойчивости алгоритма приема сигналов с цифровым обеливающим фильтром
Методы анализа помехоустойчивости адаптивных алгоритмов приема сигналов с подавлением помех впервые были предложены и достаточно подробно разработаны в [3]. Свое дальнейшее развитие эти методы оценки помехоустойчивости адаптивных алгоритмов приема получили в монографии [20]. Авторы монографии показали, что при использовании квазидетерминирован-ной модели не только для узкополосных помех, но и широкополосных, импульсных помех возможно применение эмпирического байесовского подхода для формирования оценок неизвестных параметров различных типов помех, определяющих реальную помеховую обстановку в каналах мобильной радиосвязи. Комбинированное использование эмпирического байесовского подхода позволило автору аналитическим путем оценить помехоустойчивость полученных в данной работе алгоритмов приема.
В соответствии с методикой, предложенной в [3] и [20], проведем анализ помехоустойчивости приема двоичных сигналов с активной паузой по правилу (2.20) на основе цифрового обеливающего фильтра. Для этого подставим в (2.20) сигналы в форме где juc и jus - ортогональные составляющие коэффициента передачи канала связи для сигнала. Преобразуем алгоритм (2.20) к виду Знак означает преобразование по Гильберту. Здесь в соответствии с (2.3) Считаем, что оценка совокупности УП формируется по входной реализации смеси сигнала и помех при помощи фильтра, работающего по правилу (2.25) где (рк - импульсная характеристика фильтра оценки с учетом преобразования входного сигнала по Гильберту; Si — Si, + JSt - ошибка оценивания параметров совокупности помех. Вероятность ошибки определяется как сумма вероятностей невыполнения неравенства (3.2) при передаче сигнала г где х - левая часть неравенства (3.2) при передаче r-го сигнала. Учитывая, что алгоритм формирования весовых коэффициентов обели-вающего фильтра (2.34) построен на основе критерия минимума среднеквадра-тической ошибки предсказания (2.27), можно считать, что х является нормальной случайной величиной со средним значением
и дисперсией Здесь N - количество неподавленных фильтром помех; где Выражение (3.9) отличается от известных наличием дополнительного слагаемого, учитывающего неидеальность работы цифрового обеливающего фильтра, т.е. наличие на выходе фильтра неподавленного остатка помех.
В соответствии с формулой (3.9) было проведено вычисление вероятности ошибки когерентного приемника с цифровым обеливающим фильтром. На этих же рисунках приведены кривые помехоустойчивости при различных фиксированных порогах принятия решения. На рисунке 3.1 приведены кривые помехоустойчивости приемника сигналов с пассивной паузой (амплитудная дискретная модуляция), а на рисунке 3.2 аналогичные кривые для сигналов с активной паузой (частотная и фазовая дискретная модуляция). Вероятность ошибки для адаптивного алгоритма приема в условиях медленных замираний полезного сигнала найдем усреднением выражения для вероятности ошибки (3.9) в соответствии с законом распределения замираний W{ju), т.е. квадрат математического ожидания коэффициента передачи канала связи. Наиболее же интересным случаем представляется ситуация, когда замираниям подвергается не только сигнал, но и помехи. В этом случае для вычисления вероятности ошибки можно воспользоваться формулой из [3]. но с определенным ранее значением кэ2 и g2 - среднестатистическим значением коэффициента различия полезного сигнала и неподавленного остатка помехи.
Полученная формула при «полном» подавлении помех и при отсутствии замираний полезного сигнала вырождается в известную формулу [3]. а в случае замирающего сигнала
Для иллюстрации качества приема замирающих сигналов на рисунке 3.3 приведены кривые помехоустойчивости адаптивного приемника с цифровым обеливающим фильтром при медленных релеевских замираниях сигналов с пассивной паузой. Аналогичные кривые помехоустойчивости для сигналов с активной паузой приведены на рисунке 3.2. При построении графиков порог вычислялся по формуле
Выбор параметров аналого-цифрового преобразования
Во всех работах по дискретизации сигнала принимается за аксиому, что спектр сигнала на входе дискретизатора по времени должен быть ограничен по частоте. При этом за рамками рассмотрения проблемы остается то, каким образом происходит это ограничение спектра. Обычно спектр входного сигнала ограничивается при помощи физически реализуемого фильтра. То есть производится выделение участка спектра при помощи умножения спектра входного сигнала на функцию частотной характеристики выделяющего (формирующего спектр) фильтра:
Пример амплитудно-частотной характеристики формирующего фильтра приведен на рисунке 4.2. Основным требованием к этому фильтру является подавление спектра входного сигнала за пределами выделяющей функции o55/d до уровня, определяемого точностью обработки сигнала.
То есть в соответствии с полученной формулой для восстановления аналогового сигнала нужно применять фильтр с характеристикой, точно такой же, как и у формирующего спектр на входе аналого-цифрового преобразователя (рисунок 4.3).
График восстанавливающей функции для узкополосного сигнала, полученный по формуле (4.11), приведен на рисунке 4.4.
Из проделанного анализа можно сделать следующие выводы: - при аналого-цифровом преобразовании точность представления узкополосных сигналов существенно зависит от амплитудно-частотной и фазочастот-ной характеристик входного формирующего фильтра; - частота дискретизации узкополосного сигнала должна выбираться в соответствии с формой АЧХ входного формирующего фильтра. Чем меньше крутизна скатов АЧХ формирующего фильтра, тем большая требуется частота дискретизации. - частота дискретизации зависит от требуемой точности преобразования входного сигнала
В данном параграфе приведено краткое описание структурной схемы устройства цифровой обработки сигналов с подавлением комплекса помех. Эта схема изображена на рисунке 4.5. Устройство цифровой обработки сигналов состоит из четырех основных блоков. Эти блоки объединены между собой системной шиной, что позволяет операционным блокам обмениваться информацией с ОЗУ, общим для всех операционных блоков. Адресные пространства в ОЗУ для каждого блока не пересекаются, поэтому можно считать, что каждый обрабатывающий блок работает со своим, независимым ОЗУ. В то же время адресные пространства могут переключаться с одного блока на другой. Это позволяет осуществить почти мгновенную передачу больших массивов данных из одного блока в другой. Распределение ресурсов системной магистрали (М) между тремя операционными блоками осуществляется путем последовательного управления системной магистралью каждым из блоков. Захват магистрали осуществляется одним операционным блоком только после того, как предыдущий операционный блок освобождает ее. Занятость шины анализируется по сигналам управления. Наивысший приоритет при захвате шины имеет процессор БПФ (ПБПФ), низший приоритет - взвешивающий АЦП (ВАЦП).
Входной ограниченный по спектру сигнал поступает на вход взвешивающего АЦП (ВАЦП). Его схема изображена на рисунке 4.6. Входной сигнал поступает на вход двух УВХ через буферный усилитель. В блоке взвешивающего АЦП происходит временная дискретизация входного сигнала и его разделение на две квадратурные составляющие (в дальнейшем на реальную и мнимую составляющие). Момент времени, в который происходит считывание входного сигнала, определяется генератором интегрирующей функции (ГИФ). Подключение каждого из УВХ к входу АЦП происходит через коммутатор MS. Управление коммутатором осуществляется через локальную шину блоком управления (БУ). В АЦП происходит преобразование квадратурных сигналов из аналоговой формы в цифровую. Преобразованные данные поступают в шину данных D локальной магистрали. Умножение входных отсчетов на весовую функцию производится в умножителе (УМН). Отсчеты весовой функции хранятся в ПЗУ, подключенном к локальной шине. Готовые, взвешенные отсчеты сигнала, округленные до 12 разрядов, записываются в регистр данных (ЯОд) и, когда освобождается системная магистраль, переписываются в ОЗУ по адресу, формируемому счетчиком адреса (СЧА).
Операция двоично-инверсной перестановки осуществляется аппаратно за счет того, что старшие разряды локальной магистрали адреса подключаются к младшим разрядам шины адреса в системной магистрали, а младшие - к старшим разрядам. После того, как ОЗУ будет полностью загружено, происходит переключение блоков ОЗУ, и к блоку ВАЦП подключается блок ОЗУ с данными, уже использованными решающим устройством. После этого процесс повторяется.
Алгоритм работы ВАЦП изображен на рисунке 4.7, а временные диаграммы входного сигнала, интегрирующих функций и напряжения на выходе УВХ1 и УВХ2 приведены на рисунке 4.8.
Похожие диссертации на Исследование применения цифровых обеляющих фильтров для подавления помех в системах мобильной радиосвязи
