Введение к работе
Формулировка проблемы и ее актуальность.
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 так же радиотехническими
средствами других служб (радионавигация, радиолокация)
промышленными установками, линиями электропередач,
электробытовыми приборами и т.д., это так называемые
станционные и индустриальные помехи. Применительно к системам
радиосвязи многообразие помех в довольно общем случае можно
представить в виде следующих основных компонент:
широкополосная флуктуационная помеха (ФП),совокупность
узкополосных (станционных) помех (УЩширокополосная
импульсная помеха (ИП) и совокупность внутрисистемных, так называемых, структурно-подобных помех (СП).
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 распространения радиоволн в этих диапазонах. Хотя в настоящее время проблема защиты от этих помех становится актуальной и в более высокочастотных диапазонах радиосвязи. 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 м Гц 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. 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. 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 в настоящее время не существует. До настоящего времени на практике
используются компромиссные способы построения блока защиты приемника от одновременного воздействия этих помех, позволяющие в некоторой степени подавить как импульсные, так и узкополосные помехи.
Следующий класс помех, которые приводят к снижению помехоустойчивости, носит название внутрисистемных или структурно-подобных помех (СП). Эти помехи представляют собой имитационные помехи в виде сигналов, по своей структуре подобных полезному сигналу. Основная природа возникновения внутрисистемных помех это особенности распространения радиоволн в эфире. В декаметровом диапазоне частот СП обусловлены особенностями пространственного распространения радиоволн в ионосфере. Это так называемое многолучевое распространение. В каналах радионавигации СДВ, ДВ радиодиапазона эти помехи обусловлены наличием соседних, территориально расположенных цепочек радиопередающих средств. Как правило, внутрисистемные помехи относятся к классу широкополосных помех. А это накладывает свои особенности на построение блока защиты от таких помех.
Известно, что методы защиты от узкополосных и широкополосных помех по своим принципам существенно различны 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 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.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось исследование методов адаптивного приема сигналов в системах радиосвязи с комплексным воздействием различных типов помех в условиях практически полной априорной неопределенности относительно типов и параметров помех. 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 сигаалов при комплексном воздействии различных типов помех с априорно неизвестными характеристиками и параметрами помеховой обстановки:
неизвестны типы и количество помех на входе приемника;
неизвестны амплитуда, частота, фаза и время действия УП;
неизвестны форма и время действия ИП;
неизвестно частотно-временное различие помех и сигнала.
-
Теоретический и имитационный анализ помехоустойчивости, полученных адаптивных алгоритмов приема.
-
Исследование возможностей комбинированного использования аналоговых и цифровых методов подавления помех.
-
Разработка рекомендаций по практическому построению адаптивных блоков зашиты для каналов радиосвязи с различными типами помех.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался математический аппарат теории статистической радиотехники, теории статистических решений, теории приближения функций и численного анализа, а так же 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 работы заключается в разработке новых методов адаптивного приема сигналов, при комплексном воздействии различных типов помех в условиях априорно неопределенной помеховой обстановки.
1 .Разработана квазидетерминированная модель помеховой
обстановки в каналах радиосвязи, включающая в себя различные
типы наиболее распространенных помех: флуктуационный шум,
узкополосные, импульсные и структурно-подобные помехи.
2.Разработан метод синтеза адаптивных алгоритмов приема
сигналов, с классификацией помеховой обстановки, и
одновременным подавлением различных типов помех в канале радиосвязи с априорно неизвестными характеристиками помеховой обстановки.
3.Получены адаптивные алгоритмы приема сигналов с одновременным подавлением различных типов помех, с аналоговым и цифровым способом их реализации.
4.0бобщена методика оценки помехоустойчивости адаптивных
алгоритмов приема сигналов, с подавлением узкополосных
помех, использующих процедуру классификации помех.
5. Сделан теоретический и имитационный анализ
помехоустойчивости адаптивных алгоритмов приема сигналов с
подавлением различных типов помех.
б.Выработаны рекомендации по практическому построению
эффективных блоков защиты радиоприемников для различных
систем радиосвязи и радионавигации, работающих в сложной и
априорно неизвестной помеховой обстановке.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований легли в основу принципов технического проектирования блоков защиты 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, включающего в себя блоки обнаружения, классификации и подавления помех.
-
Даны рекомендации по построению блока защиты от узкополосных помех с ограниченным и неограниченным числом подавителей помех.
-
Сформулированы рекомендации по построению блока защиты от узкополосных помех в цифровом виде на микропроцессорной элементной базе.
-
Даны рекомендации по практическому построению блока защиты от структурно-подобных помех, в том числе в присутствии и узкополосных помех.
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 и внедрение результатов работы осуществлено при выполнении хоздоговорных НИР и ОКР, проводимых при техническом руководстве и непосредственном участии автора (ответственный исполнитель всех работ) по заказу ведущих НИИ России. В период с 1976г. по 1997 г. 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: УП, ИП, СП, 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 Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики в лекционных, лабораторных и практических занятиях дисциплин профессиональной схемотехнической подготовки студентов:
... радиоприемные устройства;
...устройства приема и обработки сигналов;
...схемотехническое обеспечение средств связи с
подвижными объектами;
...проектирование и техническая эксплуатация
радиотехнических устройств;
... схемотехника радиотехнических устройств.
Отдельные схемотехнические вопросы диссертационной работы детально прорабатываются студентами в рамках курсового и дипломного проектирования.
Отдельные теоретические вопросы, относящиеся к проблематике данной диссертационной работы, под руководством автора продолжают детально прорабатываются соискателями и аспирантами СибГАТИ.
Практическое использование основных результатов диссертации подтверждено соответствующими актами внедрения. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всесоюзных, Российских и Республиканских конференциях, симпозиумах и семинарах: на Республиканской НТК «Методы и средства передачи данных по коротковолновому и спутниковому радиоканалам», Киев, 1978 г.; на IV Всесоюзной НТК по повышению качества функционирования и надежности информационных сетей и их
элементов. НИСЭ-81, г.Новосибирск, 1981г.; на VIII Всесоюзной
НТК по теории кодирования и передачи информации. г.Куйбышев,
1981 г.; на Всесоюзной НТК «Развитие и внедрение новой техники
радиоприемных устройств», г. Горький, 1981г.; на IV Всесоюзной
НТК «Проблемы метрологического обеспечения систем обработки
измерительной информации и математическое обеспечение»,
г.Москва, 1982 г.; на VIII Всесоюзном семинаре ЦП НТО им.
А.С.Попова, г. Воронеж, 1983г.; на VIII Всесоюзном симпозиуме, г.
Одесса, 1983 г.; на Всесоюзной школе-семинаре на ВДНХ, г.
Москва, 1984 г.; на VI Международном симпозиуме по теории
информации, г. Ташкент, 1984 г.; на Всесоюзной НТК «Развитие и
внедрение новой техники радиоприемных устройств», г. Горький,
1985 г.; на V Всесоюзной конференции по повышению качества
функционирования и надежности информационных сетей, г.
Новосибирск,1985г.; на Республиканской НТК
«Автоматизированный контроль и повышение эффективности
систем связи», г.Ташкент, 1985 г.; на Республиканской НТК
«Помехоустойчивость и эффективность систем передачи
информации», г. Одесса, 1986 г.; на Всесоюзной школе-семинаре
«Проблемы ЭМС РЭС подвижных служб», г. Москва, 1987 г.; на VI
Всесоюзной НТК «Проблемы метрологического обеспечения систем
обработки измерительной информации», г. Москва, 1987 г.; на
Всесоюзной конференции по теории кодирования и передаче
дискретной информации, г. Одесса, 1988 г.; на Всесоюзной НТК
«Информационные методы повышения эффективности и
помехоустойчивости радиосистем и систем связи»,г.
Ташкент, 1990г.; на Всесоюзной НТК «Актуальные проблемы
электронного приборостроения», г. Новосибирск, 1990 г.; на
Всесоюзной НТК «Идентификация, измерение характеристик и
имитация случайных сигналов»,г.Новосибирск, 1991 г.;на Российской
НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г.
Новосибирск, 1993, 1994, 1995,1996, 1997 г.г.; на I Международной
НПК «Информационные технологии и радиосети - 96»; г. Омск, 1996
г.; на второй НПК «Единое информационное пространство.
Проблемы, перспективы, решения», г. Новосибирск, 1996 г.; на
третьей Международной НПК "Актуальные проблемы электронного
приборостроения", АПЭП-96, г. Новосибирск, 1996 г.
Тезисы или содержание докладов опубликованы.
Публикации. По материалам диссертационной работы
опубликованы: монография, 20 статей, 36 тезисов и материалов докладов, 10 авторских свидетельств, патент на изобретение, 23 научно-технических отчета по НИР и ОКР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Основной материал работы изложен на 304 страницах машинописного текста, а так же включает в себя 80 иллюстраций и таблиц Список литературы по каждому разделу приводится отдельно. Всего библиография содержит 139 наименований. В приложениях приведены документы о внедрении и использовании результатов исследований. Основные положения, выносимые на защиту:
Похожие диссертации на Методы адаптивного приема сигналов в каналах радиосвязи с комплексным воздействием различных типов помех
