Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Разработка устройств быстрого поиска ШПС 16
1.1. Нелинейное устройство быстрого поиска ШПС 16
1.2. Адаптивное нелинейное устройство быстрого поиска ШПС 20
1.3. Помехоустойчивость адаптивного устройства быстрого поиска ШПС в условиях действия гауссовского шума 29
1.4. Анализ действия ГП на устройство быстрого поиска ШПС 32
1.5. Анализ действия СП на устройство быстрого поиска ШПС 38
1.6. Выводы по главе 1 46
2. Разработка и исследование методов защиты устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов от гармонических помех 48
2.1. Постановка задачи 48
2.2. Разработка метода защиты устройства быстрого поиска шумоподобных сигналов от мощной гармонической помехи 49
2.2.1. Оценивание параметров ГП 50
2.2.2. Разработка структуры ПУ с НФ с защитой от воздействия ГП на основе оценивания её параметров 54
2.3. Исследование эффективности устройства защиты от мощных ГП 59
2.4. Компенсация ГП с помощью цифрового сглаживающего фильтра 65
2.4.1. Разработка устройства выделения ГП 66
2.4.2. Исследование эффективности подавления ГП с помощью ЦСФ 69
2.5. Выводы по главе 2 74
3. Разработка и исследование методов защиты устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов от структурных помех 76
3.1. Постановка задачи 76
3.2. Разработка метода защиты устройства быстрого поиска шумоподобных сигналов от мощных структурных помех 77
3.3. Исследование эффективности устройств защиты от мощных СП 84
3.4. Выводы по главе 3 93
4. Разработка и исследование методов защиты устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов от совместного воздействия гармонических и структурных помех 94
4.1. Постановка задачи 94
4.2. Анализ совместного действия ГП и СП на адаптивное устройство быстрого поиска ШПС 95
4.3. Разработка метода подавления комплекса помех в устройстве быстрого поиска шумоподобных сигналов 99
4.4. Исследование эффективности устройства защиты от комплекса помех 101
4.5. Рекомендации по программно-аппаратной реализации разработанных устройств защиты от помех 109
4.5.1. Современное состояние элементной базы 109
4.5.2 Программно-аппаратная реализация устройств защиты от помех 112
4.6. Выводы по главе 4 116
Заключение 117
Билиографический список использованной литературы 120
- Помехоустойчивость адаптивного устройства быстрого поиска ШПС в условиях действия гауссовского шума
- Разработка структуры ПУ с НФ с защитой от воздействия ГП на основе оценивания её параметров
- Разработка метода защиты устройства быстрого поиска шумоподобных сигналов от мощных структурных помех
- Исследование эффективности устройства защиты от комплекса помех
Введение к работе
В связи с тем, что в настоящее время стремительно растет число радиоэлектронных средств в разрешенных для передачи информации диапазонах частот, системы передачи информации (СПИ) должны
* обеспечивать высокую достоверность приема информации в условиях
сложной помеховой обстановки.
Для решения указанной проблемы существует несколько подходов, из которых наиболее перспективный - использование СПИ с расширением спектра передаваемых сигналов, использующие шумоподобные сигналы (ШПС). Одной из тенденций развития СПИ с ШПС является построение
* ШПС на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП), которые
позволили за счет применения сложного кодирования информации
существенно увеличить число обслуживаемых абонентов, повысить
помехоустойчивость и скрытность передаваемой информации.
В реальных условиях СПИ с ШПС, как правило, работают в шумах и помехах, уровень которых часто превосходит уровень полезного сигнала, что существенно усложняет обнаружение и распознавание (поиск) ШПС. Основополагающие принципы борьбы с помехами в СПИ, в том числе с ШПС заложены в работах ряда отечественных и зарубежных ученых, наиболее значительные из которых обобщены в монографиях и обзорах [1-7].
* Особенно важное значение уделяется борьбе с помехами в устройствах
быстрого поиска ШПС, предназначенных для установления синхронизации.
В подобных устройствах используется лишь часть символов ПСП, поэтому
устройства быстрого поиска ШПС наиболее подвержены действию мощных
естественных и искусственных помех. Особые условия воздействия помех на
устройства поиска ШПС приводят к тому, что большинство методов из
арсенала средств борьбы с помехами не могут быть использованы или не
позволяют эффективно ослаблять действие помех. Все это потребовало дальнейшего развития теории и практики приема дискретной информации в условиях воздействия помех различного рода и интенсивности.
В СПИ с ШПС большое распространение получили сигналы,
сформированные на основе ПСП, из которых следует выделить класс
линейных рекуррентных последовательностей максимальной длины (МЛРП)
с двоичным основанием, называемые последовательностями Хаффмена или М -последовательностями [2-4], обладающие высокой скоростью, простотой формирования и обработки, хорошими авто- и взаимокорреляционными свойствами.
Характерной особенностью двоичных МЛРП является простота алгоритма их формирования. Каждый последующий символ ak+l в ПСП зависит только от m-значной комбинацией предыдущих символов <хк,...,ак_т, что позволяет легко формировать такие ПСП с помощью
сдвигающих регистров. Правило формирования ПСП задается неприводимым примитивным многочленом (образующим полиномом).
а Число символов в двоичной рекуррентной ПСП равно L = 2т — 1.
В современных СПИ с ШПС наметилась тенденция увеличения длины ПСП с целью повышения количества обслуживаемых абонентов, увеличения скрытности и конфиденциальности передаваемой информации. Использование в СПИ ШПС, сформированных на ПСП большой длины (L>210), требует быстрого и надежного определения m-значной кодовой комбинации ПСП, используемой в качестве опорного сигнала в демодуляторе, то есть повышения скорости вхождения в кодовый синхронизм принимаемого ПСП с его копией в приемном устройстве (ПУ) [4-6]. Методы приема сигнала в «целом» [4-5], имеющие высокую устойчивость к воздействию различного рода помех, неприменимы из-за
« недопустимо большого времени определения кодовой комбинации.
Известным решением проблемы кодовой синхронизации при поиске ШПС с неизвестным временем появления является построение многоканального корреляционного приемника или приемника с набором согласованных фильтров [3]. При этом может быть достигнуто минимальное время поиска искомого ШПС. Однако такой подход сокращения времени
поиска приемлем только для ШПС, построенных на ПСП относительно
небольшой длины.
Из алгоритмов, используемых в устройствах кодовой синхронизации, большой интерес представляют алгоритмы поиска ШПС, основанные на алгебраических особенностях формирования синхросигналов, использование которых при приемлемых аппаратурных затратах позволяет на порядок и
* более сократить время поиска. Среди таких алгоритмов широкое
распространение нашел метод последовательной оценки символов и его
модификации [6-7].
Повысить скорость вхождения в синхронизм при использовании метода
последовательной оценки символов можно за счет использования
статистической избыточности, заложенной при кодировании в ПСП. Один из
вариантов решения задачи приведен в [8]. Аппроксимация ПСП сложной
цепью Маркова и использование нелинейной теории фильтрации марковских
процессов [14] позволили получить рекуррентные уравнения фильтрации
ШПС [9,39], на основе которых синтезированы устройства быстрого поиска
ШПС. Однако высокая вероятность ложных тревог при отсутствии ШПС на
щ входе ПУ приводит к увеличению времени поиска ШПС [10] и снижает
помехоустойчивость устройства синхронизации.
Для ослабления данных недостатков в [39] по аналогии с алгоритмами фильтрации, полученными в [11-13], с использованием критерия Неймана-Пирсона удалось синтезировать простые в реализации адаптивные устройства быстрого поиска (АУБП) ШПС с минимальным количеством ложных тревог и тем самым существенно уменьшить время поиска ШПС.
Разработка методов быстрого поиска ШПС в [13,39] основывалась на предположении, что на входе ПУ действует только белый гауссовский шум. Такой подход к решению радиотехнических задач является обоснованным, так как позволяет получить результаты, близкие к потенциально возможным.
В действительности на входе ПУ в СПИ могут воздействовать помехи,
« различные по мощности и характеру. Последние исследования СПИ с ШПС
[15] показали, что разработать ПУ, обеспечивающее устойчивую
синхронизацию с искомым ШПС, в условиях одновременного действия
различного рода мощных помех, практически невозможно. Попытки
синтезировать подобные ПУ приводят к нелинейным устройствам большой
сложности, далеким от оптимальных из-за многочисленных упрощений
[4,16-19]. Поэтому иногда целесообразнее разрабатывать отдельные
устройства для защиты ПУ, синтезированных для случая воздействия белого гауссовского шума, от конкретных наиболее опасных помех.
Известно [4,15-16], что для СПИ с ШПС наиболее опасными являются мощные узкополосные (УП) и подобные полезному сигналу структурные помехи (СП).
В связи с увеличившимся в последнее время количеством СПИ, УП
естественного происхождения являются одними из распространенных.
Кроме того, простота технической реализации радиосистем, генерирующих
УП, по сравнению с системами, создающими широкополосные помехи,
позволяет создавать мощные постановочные УП. Частным случаем УП
« является гармоническая помеха (ГП) - гармоническое колебание с частотой,
находящейся в пределах спектра полезного сигнала.
Борьбе с ГП посвящено значительное число работ [15-16,20-27], в которых описаны методы, основанные: а) на использовании смещения порогов квантования [20-21]; б) на применении «обеляющих» фильтров [16,22-24]; в) на частотной режекции и компенсации [15,25-26]; г) на изменении пространства преобразования сигналов [27]. Данные методы,
несмотря на недостатки (необходимость измерения некоторых параметров помехи, снижение помехоустойчивости системы при отсутствии ГП, изменение формы принимаемого сигнала, сложность реализации) успешно используются для борьбы с ГП в СПИ с ШПС.
Однако эти методы, основанные на спектральном различии ШПС и ГП,
не используют структурных свойств ПСП и предназначены для подавления ГП на радио или промежуточной частоте. При близком расположении ГП к несущей частоте данные методы практически неприменимы из-за опасности подавления несущей. Кроме того, при действии мощной ГП на входные цепи ПУ с ограниченным динамическим диапазоном, а также в результате каких-либо мер защиты от ГП в силу нелинейных явлений возможно появление
гармонических составляющих на видеочастоте. Следовательно, наиболее опасной из ГП является помеха, проявляющаяся в виде низкочастотной ГП после детектора и «накрывающая» значительную часть информационных символов ПСП, отводимых для синхронизации. Все это может привести к срыву синхронизации.
Ввиду того, что вероятность действия многих мощных ГП вблизи несущей полезного сигнала невелика, число мощных ГП на видеочастоте ограничивается двумя-тремя помехами.
Исследования показали, что мощные ГП на выходе детектора могут полностью нарушить нормальное функционирование разработанных в [39] устройств быстрого поиска ШПС. Важным достоинством ПУ с нелинейным
* фильтром (НФ) [39], предназначенных для поиска ШПС в белом гауссовском
шуме, является способность обнаруживать стационарные мощные ГП за счет
структурных различий ШПС и ГП.
Выявленные особенности синтезированных ПУ позволили разработать эффективные и простые в реализации методы подавления ГП, применимые в условиях полной или частичной информации о параметрах ГП. Так, при незначительном усложнении структуры ПУ с НФ наряду с поиском ШПС
возможно измерение амплитуды и частоты ГП, а полученные оценки параметров ГП используются для компенсации ГП, либо для настройки режекторного фильтра.
В качестве альтернативного метода подавления ГП предлагается подавление ГП с помощью адаптивного цифрового фильтра на основе использования фильтра со скользящим усреднением [28]. Метод применим и в случае, если ГП не стационарна, а эффективность подавления зависит только от точности определения частоты ГП, для оценивания которой используется метод, основанный на усреднении числа выборок за несколько периодов ГП.
Другим важным направлением диссертационной работы является разработка и исследование мер защиты устройств быстрого поиска ШПС от СП.
СП состоят из тех же элементов, что и полезный сигнал, но отличаются параметрами манипуляции. В СПИ, использующих технологию ШПС для передачи информации, помехи этого типа, например, прямые и отраженные сигналы других абонентов СПИ, встречаются наиболее часто. Источником мощных структурных помех, например, ретранслированных, могут быть системы радиотехнического противодействия.
В работах, посвященных анализу воздействия СП [29-30], отмечается, что в СПИ с ШПС, особенно с цифровой обработкой, эффективные методы борьбы со СП фактически отсутствуют, так как хорошо разработанные методы подавления помех, основанные на их спектральном различии с искомым ШПС в случае СП не работают. В [37] решена задача совместной фильтрации СП в предположении, что двоичная импульсная последовательность является цепью Маркова, однако исследования эффективности данного метода не прводились. Также недостаточно исследовано воздействие СП на цифровые устройства быстрого поиска ШПС в условиях, когда для поиска используется лишь часть элементов ШПС.
Отсюда следует, что задача отыскания алгоритмов и устройств быстрого поиска ШПС, защищенных от воздействия СП является актуальной, особенно в настоящее время, когда число СПИ с ШПС и количество их абонентов возрастает стремительными темпами.
В данной работе для подавления СП предлагается использовать метод
» компенсации, основанный на выявлении структурных особенностей СП и
измерении ее параметров. Поставленная цель достигается введением дополнительных каналов оценивания параметров СП, аналогичных каналу поиска полезного сигнала, что делает структуру системы более однородной. Адаптивное ПУ с НФ быстрого поиска искомого ШПС с параллельными каналами одновременного оценивания параметров нескольких СП и блоком
* их компенсации уже при числе СП более трех представляет собой сложное
для реализации устройство. Упрощения ПУ с НФ можно достичь выбором тактики поочередного последовательного обнаружения и измерения параметров СП, начиная с наиболее мощной СП, и последующей ее компенсацией. Проведенные исследования показали высокую эффективность метода ослабления действия СП на устройство -: быстрого поиска.
Совершенствование методов цифровой обработки сигналов, элементной базы, автоматизированных средств проектирования и отладки электронной аппаратуры позволяет сократить разрыв между теорией и практикой разработки систем связи. Обработке сигналов в цифровой форме
л предъявляются высокие требования по скоростным характеристикам ПУ, а
следовательно и к вычислительной сложности разработанных алгоритмов.
Аппаратно-программная реализация разработанных в данной работе
устройств требует обоснованного выбора элементной базы, применения
современных принципов автоматизированного проектирования
радиоэлектронной аппаратуры на основе прогрессивных методов цифровой
" обработки сигналов и передовых достижений информационных технологий.
С учетом данных требований разработаны принципы программно-аппаратурной реализации, на основе которых получены обеспечивающие минимум технических и временных ресурсов варианты реализации основных блоков разработанных устройств.
Целью диссертационной работы является решение задачи повышения
» устойчивости к воздействию мощных ГП и СП устройств быстрого поиска
ШПС, построенных на двоичных рекуррентных ПСП, заключающееся в
разработке методов и устройств защиты от раздельного и совместного
действия ГП и СП.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
* 1. Разработка адаптивного устройства быстрого поиска ШПС,
построенных на двоичных рекуррентных ПСП, и исследование его
помехоустойчивости в условиях действия белого гауссовского шума, ГП и
СП в различном сочетании.
Разработка и исследование эффективности компенсационных методов защиты ПУ быстрого поиска ШПС от мощных ГП, основанных на обнаружении и измерении основных параметров помехи с учетом структурных различий ГП и ШПС.
Разработка и исследование эффективности компенсационных методов борьбы с мощными СП, основанных на обнаружении, распознавании и измерении параметров помехи с учетом структурных различий СП и ШПС.
,, 4. Разработка и анализ компенсационных методов защиты ПУ быстрого
поиска ШПС от совместного действия ГП и СП.
5. Реализация программно-аппаратными средствами АУБП ШПС и устройств защиты от помех на основе современной цифровой элементной базы.
При теоретических исследованиях используются методы
* статистической теории связи, теории оптимальной нелинейной фильтрации,
теории условных марковских процессов, математической статистики и статистического моделирования на ЭВМ.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты:
Структура адаптивного устройства быстрого поиска ШПС.
Качественные и количественные характеристики помехоустойчивости « ПУ быстрого поиска ШПС при действии аддитивной смеси белого
гауссовского шума и одной или нескольких ГП и СП.
Методы защиты ПУ быстрого поиска ШПС от мощных ГП на основе обнаружения и измерения их параметров, и требующие для своей реализации малых технических ресурсов.
Метод компенсации ГП, основанный на выделении ГП с помощью
цифрового сглаживающего фильтра.
5. Метод защиты ПУ быстрого поиска ШПС от мощных СП,
основанный на структурном отличии ШПС и СП, позволяющем провести
обнаружение, распознавание и измерение параметров СП с помощью
дополнительного адаптивного НФ, аналогичного НФ в канале поиска
полезного ШПС, и блока оценки амплитуды СП.
6. Метод защиты от одновременного действия ГП и СП на ПУ быстрого
поиска ШПС.
7. Рекомендации по аппаратно-программной реализации блоков и
устройств защиты ПУ быстрого поиска ШПС от ГП и СП.
Новизна научных результатов состоит в следующем:
# 1. Разработано адаптивное устройство быстрого поиска ШПС и
проведен качественный и количественный анализ его помехоустойчивости в
условиях действия белого гауссовского шума, ГП и СП в различных
сочетаниях.
2. Разработаны цифровые методы обнаружения и измерения параметров мощных ГП и СП в ПУ быстрого поиска ШПС, требующие для реализации
* незначительного усложнения ПУ быстрого поиска ШПС.
3. Выполнен анализ помехоустойчивости ПУ быстрого поиска ШПС с разработанными блоками защиты от мощных ГП и СП.
Практические результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке АУБП ШПС в СПИ, применяющих для передачи информации ШПС на длинных двоичных ПСП, работающих в условиях сложной помеховой обстановки.
Разработанные методы построения алгоритмов и структур обнаружения и измерения параметров ГП и СП, являются эффективным инструментом упрощения известных алгоритмов борьбы с ГП и СП и позволяют сократить разрыв между принципиально сложными по построению, громоздкими и труднореализуемыми теоретическими разработками и назревшими потребностями в создании современного технического арсенала простых в реализации, надежных и эффективных средств борьбы с помехами в цифровых СПИ с ШПС.
Практическое применение разработанных методов, алгоритмов и структур для борьбы с ГП и СП может найти в цифровых СПИ различного назначения: цифровых системах связи, навигационных и локационных системах, телекоммуникационных системах, телеметрии.
Для проведения моделирования на ЭВМ были разработаны модели исследуемых устройств, разработаны методики проведения экспериментов, создана среда исследований, проверена устойчивость полученных алгоритмов к изменению статистических характеристик параметров сигналов.
Основные результаты диссертации опубликованы 21 работе, в том числе 6-й статьях и 12-и тезисах в научно-технических журналах и сборниках трудов, и 3 отчетах о НИР.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В первой главе проводится анализ предметной области исследований. С этой целью разработан алгоритм и построена структура адаптивного ПУ с
НФ быстрого поиска ШПС, проанализированы результаты воздействия ГП и СП на устройства быстрого поиска ШПС, даны рекомендации по разработке и исследованию алгоритмов и устройств подавления помех.
Во второй главе разработаны компенсационные методы борьбы с ГП, основанные на структурных различиях ШПС и ГП. Синтезированы устройства компенсации мощных ГП. Проведено исследование эффективности разработанных устройств защиты ПУ быстрого поиска ШПС от мощных ГП.
В третьей главе разработан метод подавления мощных СП, основанный на распознавании структуры СП и измерения её параметров устройствами, аналогичными по своей структуре с устройствами быстрого поиска искомого полезного ШПС. Проведено исследование эффективности разработанного устройства защиты ПУ с НФ от мощных СП.
В четвертой главе проведено исследование помехоустойчивости адаптивного ПУ с НФ при одновременном присутствии на входе мощных ГП и СП. На основе разработанных в главах 2 и 3 алгоритмов борьбы в условиях действия помех одного вида предложен метод борьбы с совокупностью ГП и СП. Проведено исследование эффективности данного устройства. Разработаны рекомендации по аппаратно-программной реализации блоков и устройств защиты ПУ быстрого поиска ШПС от ГП и СП.
Помехоустойчивость адаптивного устройства быстрого поиска ШПС в условиях действия гауссовского шума
Основу адаптивного устройства поиска ШПС составляет НФ, содержащий: т -разрядный сдвигающий регистр РгС, хранящий т значений дискретного параметра ШПС, отфильтрованных за предыдущие {к — т) тактов для вычисления оценки знака йк. Комбинационная схема формирует оценку знака йк в соответствии с заданным законом кодирования ПСП и представляет собой сумматор по модулю задержанного на такт значения абсолютной величины \ик\. Вычисление величины zyu PjA производится блоком вычисления нелинейной функции. Разность логарифмов функции правдоподобия /к+іу и/к+іу г) соответствующая очередному принимаемому символу и вычисленные значения йк и z[uk, р„- ) поступают на вход сумматора Уравнение (1.21) реализуется в адаптивном ПУ с НФ (рис. 1.2) блоком адаптации, который в каждом такте работы системы, начиная с (m-f-l)-ro такта, сравнивает значения Ц к+\ и фд.. По результату сравнения производится изменение оценки pij с заранее вычисленным шагом Ар,у. появлением ШПС количество совпадений ф +1 и фд. становится больше, чем несовпадений, при этом рц растет, стремясь к предельному значению pf:=\, а коэффициент Z +1 в цепи обратной связи НФ увеличиваясь стремится к единице. Скорость адаптации зависит от выбранного шага Ар у, отношения сигнал-шум на входе приемника рэ и длины w-значнои комбинации символов ПСП. Перед началом работы в ПУ устанавливаются начальные условия: в блок вычисления нелинейной функции z\U/c,pijJ загружается начальное состояние параметра адаптации pf: = 0,5, сохраняемое в течение т тактов для заполнения РгС исходной комбинацией символов ПСП; в комбинационной схеме устанавливаются связи, соответствующие образующему полиному. В отсутствии ШПС, когда на входе адаптивного ПУ с НФ действует белый гауссовский шум среднее значение оценки ру = ру = 0,5. В этом случае нелинейная функция z[uk,py) = -йк, цепь обратной связи разомкнута и накопление шума отсутствует, что способствует снижению вероятности ложной тревоги по сравнению с неадаптивным ПУ. При появлении ШПС значение оценки вероятности ру увеличивается, а вклад нелинейной функции становится несущественным (z\uk,py)- 0). В этом случае НФ в ПУ (рис. 1.2) работает как генератор ПСП, не обязательно синхронной с ПСП искомого ШПС, так как возможна автогенерация на ложной ПСП.
Работа устройства поиска завершается, и кодовая комбинация в регистре РгС считается исходной кодовой комбинацией при достижении параметра адаптации максимального значения ру = 1. Определим интервал адаптации, при котором оценка ру, изменяясь от начального значения ру, достигает предельного значения ру = 1. Будем считать, что значение Ару известно. При большом отношении сигнал-шум рэ»1, когда ошибками распознавания символов ПСП искомого ШПС можно пренебречь, оценка вероятности ру через ка=г тактов адаптации достигнет значения ру = 1. Величину г в этом случае можно определить как где pfj = 0,5 - вероятность перехода, соответствующая цепи Маркова с независимыми состояниями. Рассмотрим работу адаптивного ПУ с НФ (рис. 1.2) с использованием временных диаграмм в различных точках устройства (рис. 1.3) при следующих условиях: т = 7, отношение сигнал-шум рэ = -6 дБ, начальное значение параметра адаптации рц - 0,5, приращение - Ар у = 0,05. Временные диаграммы в ключевых точках, характеризующих работу адаптивного ПУ с НФ представлены на рис.1.3: а) рис. 1.3а — сигнал исходной ПСП; б) рис. 1.36 - смесь ПСП и шума, поступающая на вход ПУ; в) на рис. 1.3в отмечены такты работы ПУ, в которых во входном сигнале присутствовали ошибки. Адаптивное изменение параметра адаптации ру отражает рис. 1.3г, из которого видно, что в первые семь тактов фильтрация отсутствует из-за необходимости начальной загрузки РгС. После 25 такта параметр ру достигает своего максимального значения и начинается процесс накопления сигнала на выходе ПУ (рис.І.Зд). Результатом фильтрации является отсутствие ошибок на выходе ПУ с НФ (рис.І.Зе). Сложность описания механизма фильтрации не позволила получить простых аналитических выражений для оценки помехоустойчивости ПУ, поэтому количественные оценки помехоустойчивости получены путем цифрового моделирования. В ПУ (рис. 1.2) важно правильное обнаружение /я-значной кодовой комбинации, так как только в этом случае можно засинхронизироваться с принимаемым сигналом, то основной характеристикой качества работы адаптивного ПУ и сокращения времени поиска сигнала является вероятность правильного распознавания исходной /w-значной кодовой комбинации полезной ПСП р(т,рц) [39]. Если порог превышен, и комбинация с РгС правильна, то вероятность правильного распознавания возрастает.
Разработка структуры ПУ с НФ с защитой от воздействия ГП на основе оценивания её параметров
Действие шума искажает длины цугов, а следовательно и значения параметров а и Ъ, появляются «ложные» цуги, в том числе периодические, что влияет на точность оценивания частоты, фазы и амплитуды ГП. Особенно это становиться важным, когда помеха отсутствует во входной смеси, но устройство оценки частоты и амплитуды ГП работает. В этом случае, система реагирует на «ложные» цуги, определяет частоту и амплитуду несуществующей помехи и пытается ее скомпенсировать. Моделирование показало, что ложные срабатывания приводят к снижению помехоустойчивости не более чем на 0,3 дБ.
Для снижения вероятность ложных тревог и повышения точности оценивания амплитуды ГП величина порога Vп должна быть выше суммы уровней искомого ШПС и шума. Если ГП стационарна, то порог можно выбирать исходя из дисперсии шума з2п. Чем выше порог Un, тем точнее оценка амплитуды А{ , так как вероятность превышения порога выборками шума с увеличением Uп уменьшается и уже при Uп — 3crw заметного влияния на оценку амплитуды ГП не оказывают. Однако при очень высоком значении Un величина параметра а значительно меньше величины Ь, что существенно влияет на точность вычислений. Кроме того, возможно «пересечение сверху» порогового значения выборками шума. Поэтому, по аналогии, значение Un должно быть меньше разности Рассмотренные предпосылки в случае действия мощной ГП позволяют выбрать значение порога на уровне половины амплитуды входного сигнала:.Реализация метода оценивания частоты ГП, описанного выше не требует существенных дополнительных ресурсов, тогда как оценивание амплитуды ГП подразумевает выполнение ряда операций: выбор величины порога и вычисление амплитуды согласно выражению (2.1), что требует применения дополнительных блоков. Исходя из этого, структура адаптивного ПУ для поиска ШПС, реализующая метод обнаружения и измерения параметров мощной ГП, должна содержать дополнительный канал, выполняющий функции порогового устройства и вычисляющий оценки периода, амплитуды и фазы ГП, а также величину порога. Кроме этого необходим генератор копии ГП, сигнал которого должен вычитаться из аддитивной смеси полезного сигнала, шума и ГП. Структура подобного адаптивного ПУ быстрого поиска ШПС, содержащая канал поиска и оценивания параметров ГП представлена на рис.2.3.
Основу ПУ с возможностью защиты от ГП составляет устройство, описанное в главе 1 (рис. 1.2). Оно состоит из фильтра (СФ), согласованного с сигналом одного символа ПСП, блока адаптации (БА) и нелинейного фильтра, содержащего сумматор, т -разрядный регистр сдвига (РгС), регистр для хранения задержанного на такт значения \ик , комбинационной схемы формирования оценки знака дискретного параметра ПСП на базе сумматора по модулю два, блока вычисления нелинейной функции z\uk, p{j ).
Для измерения периода и амплитуды ГП в адаптивном ПУ с НФ дополнительно введен канал поиска и оценивания параметров ГП (КПО ГП) содержащий: пороговое устройство (П) с порогами ±Un и блок оценки частоты, фазы и амплитуды ГП (БОГП), используемые для генерации ГП в генераторе ГП. К КПО ГП можно отнести РгС, используемый для вычисления частоты ГП.
Принцип работы устройства. Во время приема входного сигнала РгС заполняется символами, соответствующими принимаемому сигналу. После заполнения регистра символами одного знака БОГП начинает подсчет длины цуга одного знака. Если по окончании цуга РгС вновь заполняется однополярными символами, но противоположного знака, то БОГП выносит решение о присутствии на входе ГП, происходит разрыв обратной связи НФ и система переводится в режим оценивания параметров ГП в течение заданного количества тактов. По выборкам сигнала, поступающим с порогового устройства в БОГП вычисляются значения параметров а и Ъ. По окончании интервала наблюдения вычисляется оценка периода, фазы и, согласно формулы (2.1), оценка амплитуды ГП. Данные оценки параметров ГП используются генератором копии ГП (ГГП) с заданной частотой, фазой и амплитудой. Копия ГП с выхода ГГП поступает на вычитающий вход сумматора для компенсации ГП.
Более подробно компенсацию ГП рассмотрим с использованием временных диаграмм в ключевых точках ПУ с НФ, представленным на рис.2.4. Начальные условия, используемые при моделировании: т=9, начальное значение вероятности p"j = 0,5, приращение вероятности Ар0.= 0,05, у =0,05 (период ГП равен 51 такту следования ПСП), отношение сигнал-шум Рз= -6 дБ, отношение помеха-сигнал j2rn = 9 дБ.
На рис.2.4 с соответствующими индексами представлены: а) исходная ПСП; б) аддитивная смесь ПСП, белого гауссовского шума и ГП;. в) ГП на входе ПУ. В результате действия шума и ГП сигнал ПСП искажается, и во входном сигнале появляются 76 ошибок (рис.2.4в). С начала фильтрации на входе действует положительная полуволна ГП. БОГП, получая выборки сигнала из РгС, обнаруживает положительный цуг длиной свыше т +1, и начиная с 11 такта работы система переводится в режим определения параметров ГП. В силу низкой информативности этап оценки параметров ГП на временных диаграммах не показан
Разработка метода защиты устройства быстрого поиска шумоподобных сигналов от мощных структурных помех
Следует отметить, что устройство борьбы с ГП показанное на рис.2.16 обладает способностью подавления нестационарных и внезапно появляющихся ГП [49,51,54], без предварительного исследования помеховой обстановки, измерения и накопления статистических данных о ГП, при этом нет необходимости применения дополнительного канала слежения за наличием ГП и постоянным контролем параметров ГП.
Несмотря на очевидные преимущества применения ЦСФ по сравнению с методом оценивания параметров ГП (лучшие характеристики подавления ГП и возможность борьбы с несколькими ГП), использование ЦСФ имеет и недостатки: во-первых ЦСФ вносит задержку сигнала, что не всегда допустимо; во-вторых, его реализация гораздо сложнее. 1. Разработан метод компенсации мощной ГП на основе обнаружения и измерения ее параметров при использовании адаптивного ПУ с НФ быстрого поиска ШПС, что позволяет обеспечить её компенсацию за счет незначительного усложнения ПУ с НФ. 2. Применение канала поиска и оценивания параметров ГП в адаптивном ПУ с НФ позволяет значительно ослабить действие помех. При этом потери в помехоустойчивости после компенсации ГП не превышают пяти децибел в широком диапазоне отношений сигнал-шум и помеха-сигнал. Среди выявленных недостатков данного метода являются: а) невозможность борьбы с помехами малой мощности; б) неприменимость метода для подавления нескольких ГП. 3. Метод подавления мощной ГП при помощи адаптивного цифрового сглаживающего фильтра на основе измерения амплитуды ГП в каждом такте свободен от указанных недостатков. Результаты моделирования показали, что данный метод более эффективен по сравнению с предыдущим, однако на его реализацию требуются большие аппаратурные затраты. 4. Исследование помехоустойчивости ПУ быстрого поиска ШПС в условиях действия белого гауссовского шума и ГП при защите от помех с помощью ЦСФ показало, что после компенсации ГП потери в помехоустойчивости не превышают 1 дБ в случае действия одной ГП и 3 дБ -в случае действия десяти ГП.
В данной главе предложен метод поочередной компенсации СП на основе обнаружения помех и распознавания их структуры. С учетом предположения, что способ формирования СП не отличается от способа формирования полезного ШПС, для поиска мощной СП используется канал, аналогичный каналу поиска полезного сигнала, дополненный блоком оценивания амплитуды СП. Разработана структура ПУ с возможностью защиты от СП. Исследованы качественные и количественные характеристики эффективности подавления СП.
Необходимо разработать метод защиты адаптивного ПУ с НФ от СП, синтезировать устройство обнаружения и распознавания мощных СП, измерения параметров СП для их подавления.
Как было указано ранее, борьбе со СП уделяется значительно меньшее количество работ по сравнению с работами, посвященными борьбе с ГП. Существующие методы борьбы со СП в значительной мере зависят от уровня и числа СП и зачастую малоэффективны при большой мощности СП. В [32-34] описаны методы подавления СП, основанные на статистическом анализе СП, однако в них не используются структурные особенности СП, поэтому эффективность их невысока.
Более эффективным методом борьбы с воздействием СП является метод компенсации, серьезным препятствием для применения которого является сложность получения оценок параметров СП [35-37]. Для компенсации СП необходимо обнаружить СП, определить ее структуру и измерить параметры составляющих СП элементарных сигналов. Для обнаружения и оценки структуры СП, построенной на рекуррентной ПСП максимального периода в [35] предлагается использовать адаптивные ПУ с НФ, аналогичные АУБП ШПС (рис. 1.2).
Результаты первой главы показали значительную подверженность адаптивного ПУ с НФ быстрого поиска ШПС действию СП, превышающих по интенсивности полезный ШПС, что в свою очередь делает целесообразным разработку устройств защиты от СП.
Так как СП по своему строению является ПСП с иным, чем у полезной ПСП законом формирования, то для обнаружения СП можно воспользоваться уравнением фильтрации (1.22) дискретного параметра ШПС на основе ПСП [37,42,44,50]. По аналогии с [39] предположим, что дискретный параметр СП является цепью Маркова с двумя равновероятными состояниями. Тогда опуская трудоемкие выкладки, запишем уравнение совместной фильтрации дискретного параметра искомого ШПС и СП в следующем виде [36]:
Исследование эффективности устройства защиты от комплекса помех
Таким образом, потери от совместного действия ГП и СП на адаптивное ПУ с возможностью борьбы только с одним типом помех могут достигать 10 и более децибел. Следовательно, возникает задача разработки устройств защиты адаптивного ПУ быстрого поиска ШПС при одновременном воздействии мощных ГП и СП в широком диапазоне соотношений их интенсивностей. С этой целью в [38,46] предложено объединить блок защиты от ГП и блок защиты от СП в единое устройство борьбы с помехами, эффективно функционирующее как при раздельном, так и при одновременном присутствии этих помех. Можно предположить, что наиболее целесообразной тактикой борьбы в случае одновременного действия помех является обнаружение, оценивание параметров и компенсация помехи, начиная с наиболее мощной [38].
Во второй главе для подавления ГП предложены два устройства: первое устройство оценивания параметров мощной ГП (рис.2.3) на основе использования канала поиска и оценивания параметров ГП, показавшее себя наиболее экономичным при аппаратурной реализации и ЦСФ (рис.2.16) способный подавлять несколько ГП. Поэтому, при разработке ПУ с защитой от комплекса помех необходимо предусмотреть возможность применения одного из этих способов борьбы с ГП.
Исходя из этих предпосылок рассмотрим структуру ПУ для фильтрации ШПС, в состав которой введены блок защиты от мощной ГП, работающий на основе обнаружения ГП и оценивания её параметров (рис.2.3) и блок защиты от мощных СП, работающий на основе обнаружения СП и измерения её амплитуды (рис.3.2), представленную на рис.4.5 [46,53].
Основными узлами устройства являются нелинейный фильтр с блоком адаптации (АНФ), решающее устройство (РУ), канал поиска и оценки (КПО) ГП, КПО СП, генератор копии ГП (ГГП), генератор копии СП (ГСП). Синхронизация и контроль работы устройства в целом выполняется центральным устройством управления (ЦУУ). Работа КПОсп и КПОрц координируется соответствующими устройствами управления (УУ). Синхронный детектор и согласованный фильтр в структуре условно не показаны.
В исходном состоянии на входы обоих каналов КПО ГП и КПО СП поступает аддитивная смесь ШПС, шума, ГП и СП. При действии одиночной помехи любого вида после ее обнаружения отводится время для оценки параметров помехи и в режиме слежения за помехой производится вычитание оценки ГП или СП из входной смеси.
Набор сумматоров, См1-СмЗ размещен таким образом, чтобы независимо от сочетания присутствующих на входе помех, обнаружение более мощной помехи (ГП или СП) способствовало улучшению условий обнаружения и оценивания параметров помехи другого типа. Ключи К1 и К2 предназначены для подключения компенсирующих сигналов в том порядке, в котором помехи обнаружены в соответствующих каналах.
Данное устройство способно бороться с одной ГП и одной СП. При добавлении КПО СП, ГСП в соответствии с методикой главы 3, добавлении и изменении структуры размещения сумматоров, возможно подавление большего количества СП. Замена КПО ГП и ГГП, работающих согласно рис.2.3, на ЦСФ (рис.2.16) в целом незначительно усложняет ПУ с точки зрения аппаратурной реализации, но при этом появляется возможность борьбы с большим количеством ГП различной мощности.
В данном разделе представлены результаты исследования влияния интенсивности шума, соотношения интенсивностей ГП и СП на снижение потерь в помехоустойчивости после компенсации помех [38,46,53].
Эффективность блоков оценивания параметров ГП и СП характеризуют зависимости вычисленных оценок частоты ГП и амплитуд ГП и СП, представленные на графиках нормированных оценок частоты ГП /гп (рис.4.6а), амплитуды ГП Агл (рис.4.7а), амплитуды СП Асп (рис.4.8а) и графиках соответствующих им дисперсий (рис.4.6б,4.7б,4.8б) для устройства борьбы с мощной ГП на основе оценивания её параметров (рис.2.3) и устройства борьбы с мощной СП (рис.3.2) при рэ = -3 дБ.
Похожие диссертации на Разработка методов защиты устройств быстрого поиска шумоподобных сигналов от гармонических и структурных помех
