Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Повышение помехозащищенности систем космической радиосвязи в условиях воздействия помех при использовании адаптивного компенсатора помех. цели и задачи исследований 21
1.1. Назначение и состав систем космической радиосвязи 21
1.2. Помеховая обстановка 25
1.3. Повышение помехозащищенности систем космической радиосвязи 30
1.3.1. Существующие методы защиты от помех 30
1.3.2. Повышение помехозащищенности при использовании адаптивных антенн 31
1.4. Уровень техники в области адаптивной компенсации помех, предшествующий данной диссертационной работе 39
1.5. Постановка целей и задач диссертационного исследования 60
ГЛАВА 2 . Разработка структурных схем цифровых адаптивных компенсаторов помех для их реализации наплисицп 64
2.1. Современная элементная база 64
2.2. Основная структурная схема цифрового АКП 65
2.3. Схемы получения цифровых комплексных сигналов на входе адаптивного процессора 69
2.3.1. Выбор варианта построения аналого-цифровых квадратурных преобразователей при проектировании цифровых АКП 69
2.3.2. Динамический диапазон АРУ и АЦП 77
2.4. Разработка структурных схем и программных алгоритмов цифровых
адаптивных процессоров 85
2.4.1. Цифровой адаптивный процессор алгоритма МСКО 87
2.4.2. Цифровой адаптивный процессор алгоритма МНС 92
2.4.3. Цифровой адаптивный процессор алгоритма ОМ 95
2.4.4. Ортогонализация сигналов по методу Грама-Шмидта 103 2.5. Выводы 105
ГЛАВА 3. Разработка программных моделей и моделирование ЦАКП 107
3.1. Задачи моделирования ЦАКП 107
3.2. Состав математической модели ЦАКП 108
3.2.1. Математические модели элементов общей части ЦАКП 108
3.2.2. Математические модели АЭ АА 112
3.3. Разработка программных моделей ЦАКП на ПЭВМ 114
3.4. Исследование влияния аппаратурных факторов на эффективность ЦАКП 119
3.4.1. Исследование влияния выбора типа АЦКП на характеристики ЦАКП 124
3.4.2. Эффективность ЦАКП при идентичных каналах 128
3.4.3. Исследование совместного влияния неидентичности фильтров каналов ЦАКП по полосе пропускания и по центральной частоте 138
3.4.4. Исследование влияния неквадратурности в каналах ЦАКП 142
3.4.5. Исследование влияния неравномерности и неидентичности АЧХ в полосе пропускания фильтров каналов ЦАКП 144
3.5. Исследование влияния ограниченной разрядности вычислений 146
3.6. Оценка скорости сходимости адаптивных алгоритмов в ЦАКП при действии АРУ с учетом ограниченной разрядности вычислений и неидентичности каналов 148
3.7. Моделирование ЦАКП при совместном учёте исследованных факторов 150
3.8. Выводы 154
ГЛАВА 4. Практическая реализация АКП 156
4.1. Цифровой АКП, осуществляющий подавление помех в реальном времени 156
4.2. Реализация ЦАКП с использованием предпроцессора Грама-Шмитда 169
4.3. Разработка ЦФНЧ с загружаемыми коэффициентами 175
4.4. Разработка схемотехнических решений реализации ЦАКП 176
4.5. Экспериментальное исследование стенда АКП 178
4.5.1. Описание стенда цифрового АКП 178
4.5.2. Методика проведения измерений шума, отношений сигнал/шум, помеха/шум, сигнал/(помеха+шум) 181
4.5.3. Экспериментальные результаты 183
4.6. Выводы 186
Заключение 188
Список используемых сокращений 194
Список литературы
- Повышение помехозащищенности систем космической радиосвязи
- Основная структурная схема цифрового АКП
- Состав математической модели ЦАКП
- Реализация ЦАКП с использованием предпроцессора Грама-Шмитда
Введение к работе
Современные радиотехнические системы (РТС) космической радиосвязи [66], радионавигации [16], дистанционного исследования Земли функционируют в сложной электромагнитной обстановке (ЭМО), складывающейся под влиянием помех различной природы [25, 60]. В условиях радиоэлектронной борьбы (РЭБ) возможна постановка организованных (преднамеренных) помех, создаваемых средствами радиоэлектронного подавления (РЭП) [2, 43, 45, 59]. Повышение эффективности систем радиосвязи, функционирующих в условиях сложной ЭМО и РЭП, является важной и актуальной научно-технической задачей. Решению этой задачи постоянно посвящается множество исследований по всему миру. Эта задача решается комплексно, что освещено в многочисленных монографиях и публикациях [18, 28-33].
Эффективность систем космической радиосвязи характеризуется их способностью передавать сообщения с приемлемым качеством в заданных условиях функционирования. Основным показателем, определяющим работоспособность космических систем радиосвязи в этих условиях, является помехозащищенность [25]. Помехозащищенность обеспечивается тщательным анализом типов и вероятностей появления помех, возможным направлением прихода помех, ожидаемых уровней мощности помех и других статистических свойств канала и помех. На основе проведенного анализа формулируются требования применительно к вновь проектируемым системам. При разработке требований учитывается современное состояние элементной базы и теории.
Характерным примером канала связи, в котором проявляется недостаточность априорных сведений о состоянии радиоканала и вероятностях появления тех или иных помех, является радиоканал спутниковой радиолинии, особенно в условиях РЭП [61]. Так, недостаточность априорных сведений о пространственном и временном рассеянии сигнала в канале и действующих в нём помех, приводит к необходимости построения адаптивной приемной системы.
7 С её помощью можно получать и использовать оценки параметров канала связи (комплексного коэффициента передачи, импульсной характеристики) и помех (корреляционной функции). В задачу адаптивной приемной системы входит извлечение полезной информации из принимаемого сигнала с повышенной эффективностью, достигаемой за счёт оценивания пространственно-временных параметров канала связи и помех.
Методы преодоления априорной неопределенности и построения адаптивных систем были развиты в работах отечественных ученых: Р. Л. Стратоновича [67], Б. Р. Левина [38], В. В. Шахгильдяна, В. Г. Репина и Г. П. Тартаковского [61], Ю. Г. Сосулина [65], С. В. Первачёва и А. И. Перова [48] и зарубежных ученых: У. Гейбриела [15], Б. Уидроу и С. Стирнза [80], Р. Е. Комптона [35], Р.А. Монзинго и Т. У. Миллера [42].
Адаптивная приемная система строится с помощью адаптивных антенн (АА) и, как правило, пространственно разнесенного приема. Адаптивные антенны строятся по схеме адаптивной антенной решетки (ААР) фильтрации сигналов или адаптивного компенсатора помех (АКП), [86]. Выбор реализации адаптивной антенны по схеме ААР или АКП определяется главным образом используемыми антеннами и возможными направлениями прихода помех. В космических радиолиниях, где применяется одна антенна большого диаметра с узким главным лучом диаграммы направленности, а преднамеренные помехи могут приходить только по боковым лепесткам (БЛ) диаграммы направленности (ДН) антенны, адаптивные приемные системы строятся по схеме АКП. АКП состоит из основного канала, предназначенного для выделения полезного сигнала, и одного либо нескольких дополнительных (компенсационных) каналов, предназначенных для выделения помех. Принимаемые сигналы дополнительных каналов умножаются на весовые коэффициенты (ВК), вычисляемые по адаптивному алгоритму. Результаты умножения на ВК складываются, формируя компенсационный сигнал, представляющий собой оценку помех в основном канале. Выходной сигнал АКП образуется вычитанием компенсационного сигнала из сигнала основного канала.
Каналы АКТІ могут быть разнесены по частоте, времени, поляризации и пространству [24, 81, 86]. В настоящей диссертации каналы рассматриваемых АКП разнесены по пространству, то есть этими АКП осуществляется адаптивная пространственная фильтрация. Выбор пространственного разнесения определяется простотой и универсальностью этого метода разнесения, а также направлением работ в ФГУП ОКБ МЭИ и ФГУП НПЦ "Вигстар".
Теоретические основы построения многоканальных компенсаторов помех хорошо разработаны [42, 80]. Современной областью приложения теории адаптивных компенсаторов помех является построение устройств адаптивной компенсации помех с использованием метода цифровой обработки сигналов (ЦОС). Для реализации метода ЦОС используется дискретизация и квантование сигналов в устройствах аналого-цифрового преобразования (АЦП), непосредственно ЦОС осуществляется на логических интегральных микросхемах, микросхемах программируемой логики и цифровых процессорах (ЦП).
Современные достижения в построении цифровых адаптивных компенсаторов помех описаны в патентах [95—100], обзор по некоторым из них сделан в [87]. В этих источниках, однако, приводятся лишь самые общие структурные схемы с АЦП, осуществляющими преобразование сигналов в каналах адаптивных приемных систем в цифровую форму, указывается на известность получения квадратурных каналов. При этом адаптивные алгоритмы работают с цифровыми комплексными сигналами. В литературных источниках нет сведений о влиянии различных схем получения цифровых комплексных сигналов на эффективность компенсации помех. В адаптивном алгоритме обращения корреляционной матрицы входных сигналов цифровых компенсаторов [98-100] используется операция деления, которая существенно увеличивает время вычислений или требует увеличения аппаратурных ресурсов.
Из теории адаптивных антенн известно [1], что глубина подавления помех и выигрыш в помехоустойчивости во многом зависят от рассогласования каналов. В изученных источниках нет статистических данных о влиянии рассогласования каналов на выигрыш в помехоустойчивости и выходное
9 отношение сигнал/(помеха+шум) в цифровых АКП в условиях работы космических радиолиний.
Актуальными вопросами ЦОС в адаптивных процессорах АКП являются снижение вычислительной сложности алгоритмов, увеличение скорости вычислений, снижение аппаратурных затрат, реализация алгоритмов подавления помех в реальном времени с минимальным переходным процессом.
В последнее время микросхемы программированной логики получили значительное развитие. В современных разработках применяются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Для реализации цифровых компенсаторов на ПЛИС необходима разработка пригодных для этого структурных схем.
Актуальными научно-техническими задачами диссертационного исследования являются: разработка структурных схем цифровых многоканальных АКП для их реализации на ПЛИС и ЦП; разработка алгоритмов адаптации, снижающих вычислительную сложность, способных подавлять помехи в реальном времени с минимальным переходным процессом; разработка программных моделей и проведение моделирования для определения возможностей подавления помех при учете условий работы информационной радиолинии и выбранных технических решений. Задачи, решаемые в ходе диссертационной работы, имеют практическую направленность, — результаты используются при построении космических информационных радиолиний в рамках работ ФГУП "ОКБ МЭИ" и ФГУП НПЦ "Вигстар".
Цель работы — разработка эффективных практических вариантов реализации цифровых одно- и многоканальных адаптивных компенсаторов помех с использованием ЦОС на современной элементной базе для обеспечения высокой помехозащищенности космических радиолиний передачи информации в условиях возможного радиоэлектронного противодействия (РЭП). Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Выбор существующих или разработка новых алгоритмов адаптации для их применения в цифровых АКП.
Разработка структурных схем цифровых АКП и цифровых адаптивных процессоров, работающих в соответствии с выбранным алгоритмом адаптации, пригодных для реализации на ПЛИС и ЦП.
Выбор схемы аналого-цифрового квадратурного преобразователя (АЦКП), определение требуемого динамического диапазона системы автоматической регулировки усиления (АРУ) и АЦП, разрядности АЦП.
Разработка программных моделей цифровых АКП на ПЭВМ и проведение моделирования для получения оценок эффективности цифровых АКП в заданных условиях. Анализ результатов моделирования. Определение требований к допустимому рассогласованию приемных каналов и необходимой разрядности вычислений по адаптивному алгоритму.
Разработка схемотехнических решений реализации АКП на современной элементной базе — ПЛИС и цифровых сигнальных процессорах (ЦСП). Написание программ программирования ПЛИС. Написание программ программирования ЦСП, которые могут быть как с плавающей, так и с фиксированной точкой.
Проведение статистического моделирования на программных моделях разработанных вариантов цифрового АКП для получения оценок работоспособности радиолинии в условиях воздействия помех.
Изготовление и экспериментальное исследование лабораторного макета цифрового АКП для проверки на практике его работоспособности и полезности.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы: теории адаптивной пространственной фильтрации, статистической радиотехники, теории вероятностей, теории передачи и приема сигналов, математического анализа и линейной алгебры, теории цифровой обработки сигналов, моделирования на ПЭВМ. Для подтверждения части полученных результатов выполнены экспериментальные исследования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
1. Впервые получены количественные данные о влиянии на эффективность
цифровых АКП различных схем получения цифровых комплексных сигналов в
аналого-цифровых квадратурных преобразователях.
2. Методом статистического моделирования получены графики
зависимостей влияния разброса приёмных каналов по полосе пропускания и по
центральной частоте, неквадратурности, неравномерности усиления в полосе
пропускания на выигрыш в помехоустойчивости и выходное отношение
сигнал/(помеха+шум) в цифровых АКП.
Разработан прямой рекуррентный адаптивный алгоритм компенсации помех, основанный на методе наискорейшего спуска, для применения в цифровых АКП. В этом алгоритме не требуется обращать ковариационную матрицу, отсутствует операция деления и обратная связь с выхода АКП. По скорости сходимости он уступает алгоритмам обращения корреляционных матриц, но при числе приемных каналов более двух он реализуется на ПЛИС при существенно меньших внутренних ресурсозатратах ПЛИС.
Разработан адаптивный алгоритм компенсации помех, основанный на методе непосредственного обращения ковариационной (корреляционной) матрицы с использованием правила линейной алгебры вычисления обратной матрицы по её детерминанту и присоединенной матрице. С помощью этого алгоритма при его реализации в цифровом АКП с числом дополнительных каналов не более трёх на цифровом сигнальном процессоре TMS320C6711 возможно подавлять помехи в реальном времени с минимальным переходным процессом на выходе компенсатора.
5. Созданы качественно новые программные модели цифровых
многоканальных компенсаторов помех, учитывающие преобразование входного
суммарного сигнала в схеме получения цифровых комплексных сигналов и
позволяющие задавать разброс параметров полосовых фильтров в каналах АКП,
задавать входные мощности шумов, полезного сигнала и помех, учитывать ДН и
12 расположение антенн, выбирать адаптивный алгоритм, типы полезного сигнала и помех, типы аналоговых и цифровых фильтров, время реакции системы АРУ, разрядность АЦП и вычислений. С помощью этих моделей с использованием метода статистических испытаний исследованы такие характеристики, как отношение сигнал/(помеха+шум) на выходе компенсаторов, выигрыш в помехоустойчивости и вероятность ошибки на бит в цифровых АКП, работающих по алгоритмам обращения ковариационной матрицы, минимальной среднеквадратической ошибки, метода наискорейшего спуска, по схеме ортогонализации сигналов по методу Грама-Шмидта.
Получены количественные данные о влиянии ограниченной разрядности вычислений по адаптивным алгоритмам: непосредственного обращения ковариационной матрицы, минимальной среднеквадратической ошибки и разработанному алгоритму по методу наискорейшего спуска на отношение сигнал/(помеха+шум) на выходе цифрового АКП. Также получены данные о влиянии ограниченной разрядности вычислений для этих алгоритмов в схеме ортогонализации Грама-Шмидта.
Разработан вариант системы автоматической регулировки усиления для применения в цифровых АКП. Получена сравнительная оценка скорости сходимости адаптивных алгоритмов: непосредственного обращения матрицы, разработанного алгоритма по методу наискорейшего спуска и алгоритма минимальной среднеквадратической ошибки, а также этих же алгоритмов в схеме ортогонализации Грама-Шмидта, в цифровом АКП при действии системы АРУ с учетом совместного влияния неидентичности каналов и ограниченной разрядности вычислений.
8. Проведено статистическое исследование отношения
сигнал/(помеха+шум), получаемого на выходе двух разработанных вариантов
цифрового 3-канального АКП в составе радиолинии при действии 1—2 помех с
суммарным отношением помеха/сигнал до 50 дБ на входе антенной системы, при
различном отношении сигнал/шум на входе 10- и 12-разрядного АЦП.
Практическая ценность. Показана целесообразность использования АКП, осуществляющего компенсацию помех способом цифровой обработки сигналов для повышения помехоустойчивости радиотехнических систем связи в сложной ЭМО, характеризующейся наличием разнообразных непреднамеренных и преднамеренных помех.
Разработаны структурные схемы цифровых адаптивных процессоров и АКП, схемотехнические решения реализации цифровых АКП на современной элементной базе, программы программирования ПЛИС и ЦСП.
Разработаны программные модели цифровых АКП, которые позволяют на стадии проектирования определить эффективность использования различных вариантов цифровых АКП в условиях работы космических радиолиний с учетом основных влияющих факторов.
Эти технические и технологические разработки использовались в ОКБ МЭИ при создании лабораторного макета цифрового АКП и испытательного стенда радиолинии с цифровым АКП.
Получен патент РФ №2239284 [46] на способ подстройки частотных коэффициентов передачи каналов многоканального приемника, повышающий эффективность цифровых АКП с неидентичными каналами.
Полученные научные результаты могут быть применены и при разработке других РТС различного тактико-технического назначения, в том числе работающих в условиях действия различных помех.
Внедрение результатов работы. Проведенные исследования являются составной частью научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных для ФГУП "ОКБ МЭИ", ФГУП НПЦ "Вигстар" и 16 ЦНИИИ МО РФ в области построения адаптивных компенсаторов помех для космических радиолиний. Результаты работы внедрялись в разработки ОКБ МЭИ и НПЦ "Вигстар" непосредственно в ходе выполнения диссертационных исследований.
14 Разработанные программная модель цифрового АКП и программы программирования цифровых сигнальных процессоров используются в учебном процессе в Московском Энергетическом Институте (ТУ).
Апробация работы. Основные направления исследовательских работ, проводимых автором по теме диссертации, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах:
Пятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Секция 6, «Радиотехнические системы управления и передачи информации». Москва, МЭИ, март 1999 г.
Семинар научно-технического совета (НТС) НИО-21 ОКБ МЭИ "Цифровая реализация адаптивного компенсатора помех". Москва, ОКБ МЭИ, январь 2000 г.
Семинар НТС НИО-21 ОКБ МЭИ "Построение антенной системы адаптивного компенсатора помех (АКП). Практическая реализация АКП". Москва, ОКБ МЭИ, февраль 2001 г.
Семинар НТС НИО-21 ОКБ МЭИ "Система компенсации помех для мобильной станции". Москва, ОКБ МЭИ, июль 2002 г.
На семинаре сотрудников кафедры РТС МЭИ в декабре 2003 были высказаны критические замечания по материалу диссертации, которые были учтены.
На основе работы, выполненной автором диссертации по теме диссертации, на полигоне ОКБ МЭИ "Медвежьи Озера" создан экспериментальный стенд радиолинии с цифровым АКП. Проведенные на этом стенде исследования подтвердили значимость для практики полученных в диссертации результатов.
На кафедре Информационно-измерительной техники (ИИТ) МЭИ автором диссертации проведены лабораторные работы среди студентов АВТИ по цифровой обработке сигналов на цифровых сигнальных процессорах. Эти лабораторные работы основаны на практических результатах диссертации, включающих программную модель цифрового компенсатора помех и программы
15 программирования цифровых сигнальных процессоров. Для проведения лабораторных работ автором диссертации подготовлено методическое пособие.
Публикации по работе. По основным результатам диссертации опубликовано десять печатных работ, две из них — тезисы докладов на научно-технической конференции [71-72], четыре статьи в журнале "Радиотехнические тетради" [73-76], одна статья в журнале "Вестник МЭИ" [77], одна статья в журнале "Радиотехника" [78], опубликован патент РФ на изобретение [46], издано одно методическое пособие [79]. Кроме этого, отдельные материалы диссертации включены в пять отчётов по НИР ОКБ МЭИ и два отчёта по НИР НПЦ "Вигстар".
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, всего содержит 225 страниц машинописного текста, основной текст занимает 203 страницы, в числе которых 93 рисунка, 21 таблица, список литературы, включающий 100 наименований, помещен на 9 страницах, список используемых сокращений содержит 1 страницу. Приложение 1 занимает 3 страницы, приложение 2 занимает 4 страницы, приложение 3 занимает 10 листов, акты о внедрении результатов диссертации составляют 5 листов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработаны структурные схемы цифровых адаптивных процессоров, предназначенные для их реализации на ПЛИС. Разработан адаптивный алгоритм на основе метода непосредственного обращения ковариационной (корреляционной) матрицы, предназначенный для реализации на ЦСП.
Разработаны программные модели цифровых АКП, отличающиеся от предшествующих тем, что в них учитывается преобразование входных сигналов в выбираемой схеме получения цифровых комплексных сигналов (в схеме АЦКП), имеется возможность задавать разрядность вычислений по выбранному адаптивному алгоритму, выбирать время реакции системы АРУ.
На разработанной программной модели цифровых АКП осуществлено моделирование по методу статистических испытаний. По результатам моделирования получены графики зависимостей гарантированного выходного отношения сигнал/(помеха+шум) и гарантированного выигрыша в помехоустойчивости от отношений помеха/шум в приемных каналах, от отношения сигнал/шум в основном канале, от разброса фильтров приемных каналов АКП по полосе пропускания, центральной частоте и неравномерности усиления в полосе пропускания, а также от диапазона неквадратурности в каналах. На основе проведенного анализа результатов моделирования определены требования по допустимому рассогласованию каналов.
Разработан вариант практической реализации 3-канального цифрового АКП на ПЛИС и ЦП с использованием разработанного алгоритма по методу непосредственного обращения матрицы. Разработан вариант практической реализации 3-канального цифрового АКП с использованием цифрового предпроцессора Грама-Шмидта. Для этих вариантов цифровых АКП с использованием метода статистических испытаний получены зависимости гарантированного выходного отношения сигнал/(помеха+шум) от отношения помеха/сигнал на входе антенной системы при действии 1—2 помех для 10- и 12-разрядных АЦП, при отношении сигнал/шум на входе основного канала 15 и 20 дБ.
5. Проведено экспериментальное исследование стенда радиолинии с
цифровым АКП. Результаты экспериментального исследования стенда
радиолинии с цифровым АКП подтвердили эффективность применения
цифрового АКП в радиолинии и высокую точность разработанных программных
моделей.
17 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, указаны цели и задачи исследования, описаны полученные новые научные результаты и приведены основные положения, выносимые на защиту. Раскрывается структура и объем работы с указанием рассматриваемых вопросов по главам. Кроме того, здесь представлены сведения об апробации работы и опубликовании основных положений диссертации.
В первой главе представлены некоторые сведения по структуре земных и космических приёмных станций, их назначение и состав.
В этой главе описана помеховая обстановка и приведены характеристики основных типов помех, мешающих работе космических радиолиний.
Кратко описаны основные применяемые на практике методы повышения помехозащищенности радиолиний. В существующей радиолинии применяется псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ), достигаемый за счет ППРЧ выигрыш в отношении сигнал/помеха не достаточен для нормальной работы радиолинии в условиях РЭП. В радиолинии требуется дополнительное повышение помехоустойчивости, которое может быть осуществлено за счет адаптивной пространственной фильтрации, выполняемой адаптивным компенсатором помех.
В главе изложены принципы построения адаптивных антенн. Представлен обширный материал по построению аналоговых и цифровых одно- и многоканальных АКП. В настоящее время существует две схемы подключения цепей компенсации в многоканальном АКП: с последовательным подключением и параллельным подключением. Для повышения эффективности компенсаторов помех с последовательным подключением цепей компенсации используется каскадное подключение компенсаторов или схема ортогонализации сигналов по методу Грама-Шмидта.
В завершении главы сформулированы требования к исследованию и построению цифровых АКП в данной диссертационной работе с целью повышения помехозащищенности космических радиолиний.
Во второй главе разработаны основная структурная схема построения многоканальных цифровых АКП (ЦАКП) и структурные схемы цифровых адаптивных процессоров, предназначенные для реализации на ПЛИС и ЦСП, при этом используется развитая теория адаптивных антенных решеток [42].
Основная структурная схема построения цифрового АКП получена на основе общей теории адаптивных антенн и применения АЦКП. Для возможной реализации в цифровом АКП рассмотрены три основные схемы АЦКП: типа "квадратурный гетеродин — цифровое преобразование", типа "фазовращатель — цифровое преобразование" и типа "цифровое преобразование — цифровой квадратурный гетеродин".
Для предотвращения выхода принимаемого суммарного сигнала в зону ограничения АЦП необходимо применять систему автоматической регулировки усиления. В этой главе описан разработанный автором диссертации вариант системы АРУ для применения в системах космической радиосвязи с ЦАКП.
Описан выбор адаптивного алгоритма АКП исходя из предпочтительных качественных характеристик алгоритма.
В главе представлены структурные схемы цифровых адаптивных процессоров, работающих по алгоритмам минимальной среднеквадратической ошибки (МСКО), метода наискорейшего спуска (МНС), обращения матрицы (ОМ), предназначенные для их реализации на ПЛИС. Приведены сведения о затрачиваемых ресурсах ПЛИС при реализации разработанных схем ЦАКП в зависимости от разрядности входных данных, указывается максимальная возможная частота итераций.
В третьей главе описаны разработанные программные модели ЦАКП и путем моделирования на этих программных моделях исследовано влияние факторов, влияющих на выигрыш в помехоустойчивости и выходное отношение сигнал/(помеха+шум). К влияющим факторам относятся: используемая схема
19 АЦКП, разброс частотных характеристик приемных каналов по полосе пропускания и по центральной частоте, диапазон неквадратурности синфазного и квадратурного каналов, неравномерности усиления в полосе пропускания полосовых фильтров. Проводится анализ эффективности ЦАКП, на основе которого установлены требования к допустимой неидентичности каналов. Исследована эффективность компенсации помех в зависимости от разрядности вычислений, времени усреднения входного сигнала в интеграторе системы АРУ.
В четвёртой главе показаны разработанные автором структурные схемы цифровых АКП, предназначенные для практической реализации в аппаратуре космических радиолиний и выполняемые на программируемых логических интегральных схемах и цифровых сигнальных процессорах. Разработаны решения по реализации ЦАКП с подавлением помех в реальном времени для случая быстро меняющейся помеховой обстановки. Разработана интегральная реализация ЦАКП на цифровых предпроцессорах Грама-Шмидта. Проведено статистическое исследование разработанных вариантов ЦАКП в составе радиолинии при действии 1—2 помех для различных отношений сигнал/шум на входе АЦП. Приведена структурная схема экономичной реализации цифровых фильтров с подстраиваемыми весовыми коэффициентами, которая может применяться для подстройки частотных коэффициентов передачи неидентичных каналов по запатентованному автором способу.
Приведены результаты проверки работоспособности ЦАКП при программно-аппаратном макетировании и экспериментальном исследовании. Представлены результаты испытания стенда радиолинии с цифровым АКП, проведенные автором диссертации в безэховой камере на полигоне ОКБ МЭИ "Медвежьи Озера". Результаты экспериментального исследования стенда показали высокую эффективность использования цифрового АКП.
В заключении приведены основные результаты исследований.
В приложениях помещены принципиальная схема 3-канального ЦАКП и акты о внедрении.
20 Основная структурная схема цифрового АКП, использующая АЦКП, и структурные схемы цифровых адаптивных процессоров, работающих по алгоритмам МСКО, МНС и НОМ, предназначенные для их реализации на ПЛИС, представленные во второй главе диссертации, разработаны автором самостоятельно. Проекты программирования ПЛИС в среде Quartus II и ЦСП в среде Code Composer Studio созданы автором диссертации. Программные модели АЦКП и цифровых компенсаторов помех, по которым автором диссертации проведено моделирование, созданы автором диссертации. Практические схемы построения цифровых компенсаторов помех, показанные в четвертой главе, разработаны автором диссертации. Принципиальная схема реализации ЦАКП на современной элементной базе разработана автором диссертации. Программы по обработке входных цифровых отсчетов и методика измерений отношений сигнал/(помеха+шум) для испытаний стенда ЦАКП в безэховой камере на полигоне ОКБ МЭИ созданы автором диссертации.
Повышение помехозащищенности систем космической радиосвязи
Методы защиты от помех подразделяются на организационные и технические.
Организационные методы используются во время эксплуатации станции и требуют размещения станции с учетом окружающих предметов, территориального разнесения станций с близкими частотными ресурсами, устранение источников вредоносного излучения, осуществление работы в ограниченном пространственном секторе.
Технические методы определяются на этапе разработки систем космической связи. К ним относятся: вид модуляции, определение числа каналов приема, определение числа антенн и их взаимного размещения, использование помехоустойчивого кодирования, выбор обработки в пространственной, частотной или временной областях.
Наиболее часто используются следующие технические методы повышения помехозащищенности: Применение помехоустойчивого кодирования с перемежением информационных символов в системах цифровой связи. Обычно применяется код Рида-Соломона (PC). Использование сигналов с расширенным спектром. Достигается за счет прямой модуляции символов псевдослучайной последовательностью (ПСП) или использованием псевдослучайной перестройки рабочей частоты. Использование разнесенного приема за счет включения дополнительных каналов приема. Обычно используется пространственно разнесенный прием. Каналы могут быть разнесены также по частоте, времени и поляризации. Частным случаем разнесенного приема является использование его вместе с адаптивным компенсатором помех [1, 52]. Включение во входных цепях приемных устройств схем защиты от силового подавления мощными импульсами. Использование антенны приема информации с малым уровнем боковых лепестков (УБЛ), до -25... -30 дБ. Расширение динамического диапазона радиоприемных устройств введением системы АРУ, изменяющей усиление в широких пределах за короткое время [53].
Помехоустойчивость и скрытность составляют основу помехозащищенности. Помехозащищенность космических систем связи определяется совокупностью применяемых способов или методов защиты от помех [18]. Эффективным методом повышения помехозащищенности является адаптивный подход, при котором обеспечивается требуемое качество приема информации независимо от типа, мощности помех и их пространственного расположения [62, 19]. Одним из элементов этого подхода является использование адаптивных антенн.
Среди методов повышения помехозащищенности одним из основных является применение адаптивных антенн. Обобщенная структурная схема N-элементной адаптивной антенны (АА) показана на рис. 3 [42]. Входной сигнал поступает на раскрыв антенной решетки (АР). Сюда также поступают шумы различной природы и помехи. Выходы антенных элементов (АЭ) АР соединены с диаграммообразующей схемой (ДОС), которая включает в каждый приемный канал подстраиваемые весовые коэффициенты (ВК). С помощью ВК осуществляется изменение усиления и фазы сигналов, поступающих с АЭ, тем самым изменяется ДН антенны. ВК устанавливаются по сигналам управления, поступающим от адаптивного процессора, рассчитывающего необходимые изменения ВК и управляющего процессом установки ВК [39, 42].
Адаптивный процессор функционально состоит из устройства управления ВК и сигнального процессора. В сигнальном процессоре реализуется адаптивный алгоритм формирования такой результирующей ДН, при которой уменьшается влияние сигналов помех на информационный сигнал. Это достигается за счет формирования провалов в результирующей ДН в направлении источников помех. Сигналы всех каналов после умножения на соответствующие ВК (процесс умножения называется взвешиванием) поступают на общий сумматор. В сумматоре компоненты сигналов помех складываются таким образом, что происходит их взаимное подавление. При этом полезный сигнал не претерпевает существенных изменений.
В заданных условиях работы АА существует вектор ВК, называемый оптимальным, при котором достигается наилучшее качество приема полезного сигнала. Процесс движения значений ВК в сторону оптимальных, называется оптимизацией. При оптимизации с использованием показателей качества (ПК), в итоге достигается критерий оптимальности по данному ПК. Часто показателем качества является отношение сигнал/шум или средний квадрат ошибки, где соответствующими критериями оптимальности являются максимум отношения сигнал/шум или минимум среднего квадрата ошибки. Зависимость ПК от ВК называется целевой функцией. Реализация метода адаптации по заданному критерию оптимальности называется алгоритмом адаптации. Выбранный алгоритм определяет время вычисления ВК и техническую сложность реализации. Алгоритм выполняется адаптивным процессором, который является важнейшим элементом АА. АА конструктивно подразделяются на антенны с прямой, обратной и комбинированной связью. АА с прямой связью используют информацию с выходов АЭ, которые непосредственно воспринимают амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля приходящих сигналов. АА с обратной связью используют информацию с выхода общего сумматора. Использование обратной связи позволяет учитывать влияние неидеальностей антенно-фидерного тракта. АА с комбинированной связью используют информацию с выходов АЭ и с выхода сумматора.
Основная структурная схема цифрового АКП
Адаптивный компенсатор помех предназначен для обработки сигналов, снимаемых с АЭ АР, изменения ВК в компенсационных каналах в соответствии с алгоритмом адаптации с целью подавления помех в основном канале. Число компенсационных каналов АР (регулируемых ВК) определяется необходимым числом подавляемых помех. Основным функциональным блоком АКП является адаптивный процессор, осуществляющий обработку сигналов АЭ в соответствии с заданным адаптивным алгоритмом с целью вычисления ВК в компенсационных каналах АР.
Исследуемой областью в диссертации является проектирование АКП с входными цифровыми сигналами, цифровым адаптивным процессором, цифровым взвешиванием входных цифровых сигналов и цифровой компенсацией, т.е. проектирование цифровых АКП (ЦАКП). Возможность технической реализации цифрового адаптивного процессора существенно зависят от частоты, на которой происходит обработка сигналов. Реализация ЦАКП с входными сигналами в основной полосе частот (сигналами на нулевой несущей частоте на входе АЦП или по-другому, сигналами на видеочастоте) требует минимальной частоты дискретизации, поэтому представляет основной практический интерес. Цифровые системы и устройства обладают высокой технологичностью и целым рядом преимуществ перед аналоговыми [58].
Цифровые устройства осуществляют обработку сигналов, представленных в цифровой форме. Для представления аналоговых сигналов, поступающих с АЭ АР, необходимо осуществить аналого-цифровое преобразование (АЦП) в устройствах АЦП. АЦП должны включать в себя устройства выборки и хранения (УВХ). Эти устройства предназначены для оценки сигнала в определённый момент времени и хранения этого значения в течение некоторого времени.
Аналоговый сигнал на выходе АЭ может обладать различной амплитудой и фазой. Для его полного представления необходимо использовать комплексное представление сигналов. Комплексное представление выполняется с помощью получения квадратурных сигналов: синфазной и квадратурной составляющих сигнала. Для определенности положим, что синфазная составляющая представляет действительную часть комплексного числа, а квадратурная составляющая — мнимую.
Эффективное подавление помех возможно только при комплексном представлении ВК. Если адаптивный алгоритм, применяемый для вычисления комплексных весовых коэффициентов, основан на комплексном представлении корреляционной матрицы и осуществляется методом цифровой обработки, то на входе адаптивного процессора следует получить квадратурные компоненты цифровых сигналов. В этом случае необходимо применить аналого-цифровые квадратурные преобразователи (далее АЦКП). Основная структурная схема цифрового АКП, работающего с входными (для АЦП) сигналами на видеочастоте или сигналами на ПЧ и использующего АЦКП, показана на рис. 15.
На схеме обозначено: лгп — цифровые комплексные отсчеты основного канала, х — цифровой комплексный отсчет Л -го компенсационного канала (всего N компенсационных каналов), /д — частота дискретизации в АЦП, w — вычисленный в цифровом адаптивном процессоре комплексный ВК для JV-ro компенсационного канала (всего Л ВК в ІУ компенсационных каналах), у — сигнал на выходе ЦАКП. Обратная связь и предпроцессор, обозначенные пунктирными линиями, являются не обязательными (определяется алгоритмом адаптации).
Для предотвращения выхода суммарного сигнала (полезный сигнал+помехи+шум) в зону ограничения АЦП и поддержания постоянного уровня напряжения на входе АЦП в каждом приемном канале устанавливается блок АРУ. АРУ идентична по каналам, то есть имеет одинаковую структуру и алгоритм работы, и работает по суммарному сигналу (полезный сигнал+помехи+шум), поступающему на вход АРУ. Путем сравнения среднеквадратического напряжения входного суммарного сигнала с порогом, вычисляется коэффициент регулируемого усилителя АРУ. По этому коэффициенту регулируемый усилитель АРУ устанавливает требуемый уровень входного суммарного сигнала на входе АЦП. Этот требуемый уровень устанавливается по достижению уровня СКО суммарного сигнала на входе АЦП, равного 1/3 (или 1/4) от максимального входного напряжения двуполярного АЦП, при котором нет ограничения кодового представления в АЦП. Это обеспечивает предотвращение выхода помехи типа гауссова шума с СКО а и мгновенными значениями амплитуды в интервале ±3а в зону ограничения АЦП.
ЦАКП работает следующим образом. Компенсация помех осуществляется методом цифровой обработки сигналов в основной полосе частот (на видеочастоте) или на ПЧ. Для этого сигнал каждого элемента антенной решетки, состоящей из основной антенны и N дополнительных антенн, после прохождения СВЧ-тракта и тракта преобразования частоты (ТПЧ), а также ограничивающего полосу пропускания для дискретизации аналогового полосового фильтра (ПФ) и регулируемого усилителя АРУ, преобразуется в цифровой комплексный сигнал в АЦКП. Сигналы с выходов АЦКП используются цифровым адаптивным процессором в качестве входных данных для вычисления комплексных ВК w\, ..., WN по адаптивному алгоритму.
Состав математической модели ЦАКП
Схема на рис. 15 состоит из следующих элементов: антенн, СВЧ-трактов, трактов преобразования частот, ПФ, системы АРУ, АЦКП, цифрового адаптивного процессора, КП и сумматоров.
Антенна характеризуется диаграммой направленности и усилением. Математической моделью ДН является аппроксимация реальной ДН в двух координатных плоскостях математическими функциями. ДН нормируется так, что максимум усиления соответствует 1. Нормированная ДН умножается на усиление антенны, определяемое относительно анизотропного излучателя. Более подробно об используемых математических моделях ДН излагается в следующем пункте 3.2.2.
СВЧ-тракт, ТПЧ, ПФ в математической модели можно рассматривать в виде эквивалентного аналогового ПФ [56, 17]. При моделировании ЦАКП методом несущей аналоговый ПФ представляется эквивалентным цифровым полосовым фильтром (ЦПФ) на системной частоте моделирования. Системная частота — это максимальная частота формирования дискретных отсчётов в моделируемых сигналах. Эквивалентный ЦПФ имеет ширину полосы пропускания, равную полосе аналогового ПФ. Центральная частота ЦПФ равна центральной частоте аналогового ПФ или равна частоте ПЧ, образующейся после гетеродинирования в АЦП, если это гетеродинирование имеет место. Сигнал на входе ЦПФ описывается синусоидальным сигналом на некоторой ПЧ в тактовых точках системной частоты со своей амплитудой и фазой. Для этого сигнала ПЧ должна выполняться теорема отсчётов, где частота дискретизации принимается равной системной частоте. С целью увеличения точности представления аналогового сигнала дискретным, системную частоту следует выбирать с большим запасом.
Метод несущей используется при моделировании АЦКП и при моделировании способов подстройки частотных коэффициентов передачи каналов, если этого не требуется, применяется метод комплексных амплитуд (КА) [9, 10, 22]. При моделировании ЦАКП методом КА, эквивалентный ЦПФ заменяется цифровым фильтром нижних частот (ЦФНЧ). Сигнал на входе ЦФНЧ является цифровым комплексным сигналом.
Хорошей математической моделью ЦПФ или ЦФНЧ, учитывающей ширину полосы пропускания и неравномерность в полосе, является фильтр Чебышева-1.
При использовании обработки во временной области, дискретный сигнал на выходе фильтра определяется на основе разностного уравнения фильтра. При использовании обработки в частотной области, дискретный сигнал на выходе фильтра во временной области определяется путём обратного дискретного преобразования Фурье спектра сигнала на выходе фильтра. Спектр сигнала на выходе фильтра определяется поэлементным умножением спектра выборки сигнала на входе фильтра, найденного применением дискретного преобразования Фурье к выборке сигнала во временной области, на частотный коэффициент передачи фильтра, заданный своими дискретными значениями. Дискретные значения коэффициента передачи фильтра могут задаваться или быть найденными применением дискретного преобразования Фурье к импульсной характеристике фильтра, ограниченной длиной выборки сигнала. Длина выборки сигнала, взятая с частотой дискретизации, определяет разрешение по частоте в частотной области.
Математическая модель АЦКП определяется на основе выбранного типа АЦКП. Рассмотрим тип ЦП — ЦКГ, который подходит для сигналов с шириной полосы частот на порядок меньшей значения частоты дискретизации /д. Составными частями данного АЦКП являются: дискретизатор, квантователь с шумом квантования, два цифровых перемножителя, на которые поступает сигнал цифрового комплексного гетеродина, ЦФНЧ.
Дискретный процесс х{кТ) на выходе дискретизатора определяется значениями входного процесса x(f) в моменты времени кТ, А=0, 1,2, ...; Т = \//д — период дискретизации.
При квантовании в АЦП реальное напряжение на непрерывном множестве значений заменяется ограниченным набором кодовых значений. Число кодовых значений определяется разрядностью АЦП п и равно 2п. На рис. 35 показана зависимость выходного кода АЦП от значения входного аналогового напряжения. Эта зависимость называется характеристикой преобразования (ХП) АЦП. Значения U/ определяют напряжения межкодовых переходов, для которых равны статистические вероятности появления на выходе АЦП одного из двух соседних кодовых значений. Шагом квантования qKe ХП АЦП называется разность напряжений заданного и следующего за ним межкодовых переходов. Полный размах АЦП &\JFSR определяется положительной разностью между двумя опорными напряжениями \JREFI И UREF2- При выходе входного напряжения за границы ХП, определяемые опорными напряжениями UREFJ И \JREF2, выходные кодовые значения ограничиваются кодовыми значениями для этих границ.
Реализация ЦАКП с использованием предпроцессора Грама-Шмитда
Цифровой предпроцессор адаптивной компенсации помех (ЦПП), предназначен для построения адаптивных iV-канальных компенсаторов помех с последовательным подключением цепей компенсации по методу ортогонализации сигналов Грама-Шмидта (при числе компенсационных каналов N, превышающем число помех). Помехи принимаются по боковым лепесткам диаграммы направленности основной антенны. Дополнительные каналы формируются, например, путем установки дополнительных антенн с последующими трактами обработки сигналов до аналого-цифровых преобразователей (АЦП), аналогичными основному каналу. С выходов одинаковых аналого-цифровых квадратурных преобразователей, в которые входят обозначенные выше АЦП, отсчеты комплексных сигналов основного и компенсационных каналов поступают на входы ОК согласно рис. 34, где ОК реализуются на ЦПП.
Структурная схема практической реализации ЦПП показана на рис. 79. Блоки 1 (/,/), rxd(/) и w(0 показаны на рис. 33. Блок cmul показан на рис. 80. Альтернативно, вместо w(/) рис. 33 возможно использование блока w(/), показанного на рис. 30. При этом, обозначенные пунктиром связи на рис. 79 для А и Wo принадлежат этому альтернативному блоку w(z). Схема рис. 79 повторяется N(N \)/2 раз для получения ЦАКП с N дополнительными каналами.
На входы блока 1 (/,/) поступает цифровой комплексный сигнал 1-го канала, состоящий из синфазной jclr и квадратурной jcl; составляющих сигнала на видеочастоте (или на ПЧ).
Здесь и далее, синфазная составляющая принимается за действительную часть, а квадратурная составляющая принимается за мнимую часть комплексного числа.
Комплексный сигнал 0-го канала, состоящий из синфазной л:0г и квадратурной x0t составляющих сигнала на видеочастоте (или ПЧ), поступает на блок rxd(0, в котором вычисляется коэффициент взаимной корреляции, также сюда поступают синфазная х1г и квадратурная jclj составляющие сигнала 1-го канала.
Выходной сигнал блока 1 (/,/), состоящий только из действительной составляющей, поступает на входы блока w(/), где вычисляется комплексный ВК, который здесь же сохраняется для использования в следующей итерации.
Входные отсчеты сигналов 1-го канала в блоке 1 (/,/) (рис. 33) поступают на умножители, с выходов умножителей отсчеты суммируются в сумматоре. Входные отсчеты канала 1 и канала 0 в блоке rxd(/) также комплексно-сопряженно перемножаются. Эта операция производится в умножителях с последующим суммированием отдельно в сумматорах для вещественных и для мнимых составляющих отсчетов комплексных сигналов.
С выхода обозначенного выше в блоке (/,0 сумматора и с выходов обозначенных выше в блоке rxd(/) сумматоров сигналы усредняются на интервале времени, равном числу отсчетов в выборке длиной L отсчетов, и поступают на выходы своих блоков. С целью усреднения указанные сигналы суммируются в следующем сумматоре, выходной сигнал сумматора сохраняется в регистре, и поступает на вход этого же сумматора в следующем такте, предварительно вычитая из себя сигналы оказавшиеся за пределами выборки в дополнительном сумматоре, на вход "минус" которого поступают задержанные на длительность выборки отсчеты в регистрах RG. При больших L вместо регистров RG предпочтительно использовать память FIFO. Масштабирование производится в элементах, обозначенных 1/L, при числе отсчетов в выборке равном степени 2, умножение на ML или деление на L заменяется сдвигом вправо на log2- бит.
В блоке w(i), показанном на рис. 33, производится операция нахождения решения 1/Гхх путем считывания решения из ОЗУ и умножение полученного результата на rXj(i). На выходе блока w(i) формируется комплексный ВК.
Альтернативный блок w(i), изображенный детально на рис. 30, осуществляет реализацию выражения (2.17). Сигнал с выхода блока 1 (/,/) перемножается с компонентами ВК w. В сумматорах из rxd(/) по квадратурно вычитаются сигналы с выходов перемножителей, результат умножается на А в умножителях, суммируется с текущим компонентом вектора ВК в оконечном сумматоре блока и запоминается в регистре для использования в следующем такте. Блок w(i) имеет вход для загрузки в регистры начального значения Wo, равного нулю.
Блок cmul выполняет функцию комплексно-сопряженного умножения: сигналы умножаются в умножителях и суммируются — вещественная часть в сумматоре с обоими входами "плюс", мнимая часть — в сумматоре, имеющем один вход "минус".
Сигналы 1-го канала взвешиваются, т.е. перемножаются комплексно на ВК для 1-го канала в блоке, обозначенном как cmul, см. рис. 79-80. С выходов блока cmul, взвешенные сигналы 1-го канала поступают на входы "минус" выходных сумматоров, где они вычитаются из комплексного сигнала 0-го канала, синфазная и квадратурная составляющие которого поступают на предназначенные для них входы "плюс" выходных сумматоров. На выходе сумматоров образуется выходной комплексный сигнал ЦПП.
